A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre escoamento monofásico e bifásico no interior de tubos com fitas retorcidas. Esta técnica tem sido utilizada há várias décadas para a intensificação de troca de calor para escoamento monofásico e evaporação convectiva no interior de tubos. No entanto, com sua utilização, o aumento do coeficiente de troca de calor é acompanhado pelo incremento da perda de pressão. Portanto a compreensão dos fenômenos relacionados aos incrementos da perda de pressão e troca de calor são fundamentais para engenheiros projetistas. Neste estudo, inicialmente, é apresentada uma extensa revisão bibliográfica sobre padrões de escoamento, modelos para estimativa de fração de vazio e metodologias para previsão da perda de pressão em tubos com e sem fitas retorcidas para escoamentos bifásicos e monofásicos. Foram realizados experimentos em bancada experimental utilizando seção de testes com diâmetro interno de 15,9 mm e dois metros de comprimento com fitas apresentando razões de retorcimento de 3, 4, 9, 14 e , a última correspondente ao tubo sem inserto. Os experimentos foram executados para o refrigerante R134a, velocidades mássicas entre 75 e 250 kg/m²s, e títulos de vapor entre 5 e 95% no caso de escoamentos bifásicos. Resultados foram levantados para velocidades mássicas entre 100 e 450 kg/m²s para escoamentos monofásicos. Durante os ensaios foram levantados resultados de perda de pressão e identificados subjetivamente os respectivos padrões de escoamento. Como resultado final deste estudo é proposta uma correlação para previsão da perda de pressão durante o escoamento no interior de tubos com fitas retorcidas. / A theoretical and experimental study on single and two-phase flow inside tubes with twisted tapes inserts is presented. Twisted tape inserts have been used for decades as a technique of heat transfer enhancement. However, their heat transfer enhancement is accompanied by an increase of the pressure drop. Therefore, understanding the pressure drop and heat transfer mechanisms is fundamental for heat exchanger designers in order to optimize these devices when using twisted-tape inserts. Based on these aspects the present study concerns single and two-phase flows inside tubes with twisted tapes. Experiments were performed in an experimental apparatus for a 15.9 mm ID and twisted tape with twist ratios of 3, 4, 9, 14 and , the last one corresponding to a plain tube without tape. For two-phase flow, experiments were conducted for R134a, mass velocities from 75 to 250 kg/m²s and vapor qualities from 5 to 95%. In case of single-phase flow, experiments were performed for mass velocities from 100 to 450 kg/m²s. The experimental campaign was focused on pressure drop and flow pattern subjective identification. Additionally an extensive literature review on flow patterns, superficial void fraction, and methodologies for prediction of the pressure drop in plain tubes with and without twisted-tape inserts during single and two-phase flow is presented. As final result, a correlation for prediction of pressure drop during flow inside tubes with twisted tape inserts is proposed.

Propõe-se o estudo do separador gravitacional de fundo de poço do tipo shroud invertido para poços direcionais e horizontais. A geometria inovadora é observada pela inclinação imposta, solução que transforma um escoamento vertical descendente, veloz e caótico, num escoamento inclinado e segregado em canal livre. Com a inclinação, minimizasse a incorporação de gás, no impacto do escoamento em superfície livre contra a interface de líquido formada pelo nível do anular interno (NAI), e a segregação é incrementada devido ao gradiente de velocidades e ao aparecimento da componente da gravidade na direção radial do poço de petróleo. O trabalho experimental tem como uma de suas metas o levantamento da eficiência de separação em função das vazões de líquido e gás, do ângulo de inclinação e o grau de interferência do escoamento no duto anular formado entre o separador e a parede do poço de petróleo, chamado neste trabalho de anular externo. Foi feito um trabalho de semelhança dimensional e foram detectados os números adimensionais pertinentes ao problema. Constatou-se que a vazão de gás e o escoamento no anular externo não interferem na eficiência de separação. Além disso, foi realizado um trabalho de caracterização dos padrões do escoamento gás-líquido em duto anular, através de visualização e análise no domínio do tempo e da frequência do sinal dinâmico da queda de pressão. Também são propostos dois modelos matemáticos, um modelo fenomenológico baseado em princípios físicos fundamentais, que foi capaz de prever com eficácia a região de máxima eficiência do separador shroud invertido, e um modelo numérico, que reproduziu a fenomenologia do processo de separação do gás. / This research project proposes the study of the inverted-shroud gravitational gas separator for directional and horizontal wells. The innovative geometry is observed by the inclination that transforms a vertical, fast and chaotic downward flow into an inclined and segregated free channel flow. Due to inclination, the incorporation of gas at the internal gasliquid interface (NAI) is minimized; the segregation is increased due to the velocity gradient and the gravitational term that arises in the radial direction of the oil well. One of the aims of the experimental work is the obtaining of new data of gas separation efficiency as a function of the flow of liquid and gas, inclination angle and the evaluation of the degree of interference of the external annular duct flow. A dimensional analysis was undertaken to identify the relevant dimensionless numbers. It was found that the gas flow and the flow pattern in the external annular duct do not interfere in the separation efficiency. A flow pattern characterization was carried out through visualization and time and frequency domain analysis of differential pressure signature signal. Two mathematical models are proposed, a phenomenological model based on fundamental physical principles, which was able to predict with good accuracy the region of maximum separation efficiency, and a numerical model, which reproduced the phenomenology of the gas separation process.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2017-12-13T12:59:28Z No. of bitstreams: 1 Priscila Forgiarini da Silva_.pdf: 2273220 bytes, checksum: 4943272627a06de991d941e1c6bfd457 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-13T12:59:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Priscila Forgiarini da Silva_.pdf: 2273220 bytes, checksum: 4943272627a06de991d941e1c6bfd457 (MD5) Previous issue date: 2017-11-06 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / Este trabalho apresenta um estudo experimental da transferência de calor e queda de pressão na ebulição do isobutano, R600a, e do propano, R290, em um tubo composto por sete mini canais paralelos, cujo diâmetro hidráulico é de 1,47 mm. Os testes em ebulição foram realizados com uma temperatura de saturação de 20 ºC, para ambos os fluidos refrigerantes e pressão de saturação de 300 kPa, para o R600a e de 840 kPa para o R290, com velocidades mássicas entre 35 e 170 kg/(m²s) e fluxos de calor na seção de testes entre 5,3 e 21 kW/m². De acordo com os testes realizados verificou-se que o coeficiente de transferência de calor, para ambos os fluidos refrigerantes, aumenta conforme o incremento do fluxo de calor e velocidade mássica. O coeficiente de transferência de calor atingiu valores entre 1 a 18 kW/(m²K) para o R290 e de 1 a 9 kW/(m²K) para o R600a. A queda de pressão aumentou com o incremento da velocidade mássica e título de vapor em todos os testes, enquanto que o fluxo de calor apresentou influência na queda de pressão apenas nas maiores velocidades mássicas. Observou-se que a queda de pressão por aceleração apresenta a menor parcela, enquanto que, a queda de pressão por atrito apresenta a maior parcela. Na comparação entre o R290 e o R600a, verificou-se que o isobutano apresenta maior queda de pressão. Também foram analisados os padrões de escoamento, sendo observados os padrões de bolhas isoladas, pistonado, agitado, anular ondulado e anular, sendo que o padrão de bolhas isoladas foi observado somente para o R290, e o padrão anular mostrou-se presente para títulos superiores a 0,4. / This work presents an experimental study of heat transfer and pressure drop in boiling of isobutane, R600a, and propane, R290, in a tube composed of seven parallel mini channels, whose hydraulic diameter is 1.47 mm. Boiling tests were performed with a saturation temperature of 20 ºC for both refrigerants and saturation pressure of 300 kPa for R600a and 840 kPa for R290, with mass velocities between 35 and 170 kg/(m²s) and heat flux in the test section between 5.3 and 21 kW/m². According to the tests performed it was verified that the heat transfer coefficient for both refrigerant fluids increases as the heat flux and mass velocity increase. The heat transfer coefficient reached values between 1-18 kW/(m²K) for the R290 and 1-9 kW/(m²K) for the R600a. The pressure drop increased with increasing mass velocity and vapor quality in all tests, while the heat flux showed influence on the pressure drop only at higher mass velocities. It was observed that the pressure drop by acceleration presents the smallest portion, while the friction presents the largest portion. In the comparison between R290 and R600a, it was found that isobutane showed a higher pressure drop. Flow patterns were also analyzed, with isolated bubble, piston, agitated, annular and annular bubble patterns being observed, and the isolated bubble pattern was observed only for R290, and the annular pattern was present for quality higher than 0.4.

Propõe-se o estudo do separador gravitacional de fundo de poço do tipo shroud invertido para poços direcionais e horizontais. A geometria inovadora é observada pela inclinação imposta, solução que transforma um escoamento vertical descendente, veloz e caótico, num escoamento inclinado e segregado em canal livre. Com a inclinação, minimizasse a incorporação de gás, no impacto do escoamento em superfície livre contra a interface de líquido formada pelo nível do anular interno (NAI), e a segregação é incrementada devido ao gradiente de velocidades e ao aparecimento da componente da gravidade na direção radial do poço de petróleo. O trabalho experimental tem como uma de suas metas o levantamento da eficiência de separação em função das vazões de líquido e gás, do ângulo de inclinação e o grau de interferência do escoamento no duto anular formado entre o separador e a parede do poço de petróleo, chamado neste trabalho de anular externo. Foi feito um trabalho de semelhança dimensional e foram detectados os números adimensionais pertinentes ao problema. Constatou-se que a vazão de gás e o escoamento no anular externo não interferem na eficiência de separação. Além disso, foi realizado um trabalho de caracterização dos padrões do escoamento gás-líquido em duto anular, através de visualização e análise no domínio do tempo e da frequência do sinal dinâmico da queda de pressão. Também são propostos dois modelos matemáticos, um modelo fenomenológico baseado em princípios físicos fundamentais, que foi capaz de prever com eficácia a região de máxima eficiência do separador shroud invertido, e um modelo numérico, que reproduziu a fenomenologia do processo de separação do gás. / This research project proposes the study of the inverted-shroud gravitational gas separator for directional and horizontal wells. The innovative geometry is observed by the inclination that transforms a vertical, fast and chaotic downward flow into an inclined and segregated free channel flow. Due to inclination, the incorporation of gas at the internal gasliquid interface (NAI) is minimized; the segregation is increased due to the velocity gradient and the gravitational term that arises in the radial direction of the oil well. One of the aims of the experimental work is the obtaining of new data of gas separation efficiency as a function of the flow of liquid and gas, inclination angle and the evaluation of the degree of interference of the external annular duct flow. A dimensional analysis was undertaken to identify the relevant dimensionless numbers. It was found that the gas flow and the flow pattern in the external annular duct do not interfere in the separation efficiency. A flow pattern characterization was carried out through visualization and time and frequency domain analysis of differential pressure signature signal. Two mathematical models are proposed, a phenomenological model based on fundamental physical principles, which was able to predict with good accuracy the region of maximum separation efficiency, and a numerical model, which reproduced the phenomenology of the gas separation process.