Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-01-26T11:10:34Z No. of bitstreams: 1 142974.pdf: 2363062 bytes, checksum: 5b249ab34e1f2f7173cca26f9717f3eb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-26T11:10:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 142974.pdf: 2363062 bytes, checksum: 5b249ab34e1f2f7173cca26f9717f3eb (MD5) Previous issue date: 1976-06 / A equação da energia da camada limite de Prandtl e resolvida pelo método integral com a utilização de um perfil de velocidades biparamétrico, polinomial e de grau variável sugerido por Geropp e um perfil de temperatura baseado no perfil proposto por Van Driest e corrigido para as considerações de existência de gradientes de pressão. A camada limite compressível laminar em presença de gradiente de pressão adverso é analisada utilizando as equações integrais da quantidade de movimento e da energia térmica. Um método para o cálculo da camada limite em função do número de Mach, temperatura uniforme da parede e determinada distribuição de sucção é aqui desenvolvido. Os resultados obtidos neste trabalho estão de acordo com as soluções exatas existentes ou soluções aproximadas precisas que utilizam uma diferente formulação da solução dos problemas de transferência de calor e mostram que a solução da equação da energia com a utilização de um parâmetro de correção para os efeitos de gradiente de pressão e temperatura constituem um meio eficiente e de grande simplicidade matemática para a resolução destes problemas. / The Prandtl's boundary layer energy equation has been solved by integral methods using a polinomial biparametric velocity profile with variable exponent as suggested by Geropp and a temperature profile presented by Van Driest which is modified to consider the presence of the pressure gradient. The compressible laminar boundary layer in an adverse pressure gradient is analyzed on the basis of the momentum and thermal integral equations. A method of calculating the boundary layer as function of the Mach number, uniform wall temperature and finite suction distribution is developed. The results obtained agree with the availables exact soluctions and the accurate approximate methods using different approach to solve the heat transfer problem and show that the solution of the thermal energy equation with the parametric correction of the pressure and temperature gradient are a mathematically simple and fast way to solve that problem.

Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-26T15:19:43Z No. of bitstreams: 1 BRUNO FERREIRA SILVA -DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 3315035 bytes, checksum: 915092a23718ba159ff32b574a8fb04e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-26T15:19:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BRUNO FERREIRA SILVA -DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 3315035 bytes, checksum: 915092a23718ba159ff32b574a8fb04e (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Capes / Na indústria de petróleo, o transporte de óleos pesados em oleodutos requer altas potências de bombeamento devido a sua alta viscosidade, sendo este um dos inconvenientes na produção de óleos dessa natureza; surge assim a necessidade de desenvolvimento de novas tecnologias que otimize tais processos. Uma técnica economicamente viável e que pode ser usada, é o core anular flow, onde uma camada de água é responsável pela lubrificação do óleo que escoa no centro do duto. Desse modo, o presente trabalho apresenta um estudo energético e hidrodinâmico envolvendo o transporte de óleos pesados e água em dutos de conexões curvadas, através de simulação numérica via software ANSYS CFX® Release 15.0. Foi utilizado um modelo matemático que considera o modelo de mistura para tratar o escoamento bifásico águaóleo pesado, tridimensional, transiente e isotérmico, assumindo regime laminar para fase óleo e turbulento para a fase água adotando o modelo de turbulência k . Uma análise energética envolvendo as bombas também foi realizada. Resultados de campos de pressão, velocidade e fração volumétrica para as duas fases são apresentados e analisados. Verifica-se que o uso da técnica core-flow proporciona uma redução de 95,4% na queda de pressão por fricção comparado ao escoamento monofásico de óleo pesado, e que o desligamento e repartida das bombas de óleo e água afetam a queda de pressão por fricção. / In the oil industry, the transport of heavy oils in pipelines requires high power pumping due to its high viscosity, which is one of the drawbacks in oils production of this nature, thus emerge a need to develop new technologies that optimize such processes. An economically viable technique that can be used is the core annular flow, where a water layer is responsible for oil lubrication flowing in the center of the duct. In this way, this work presents an energy and hydrodinamic study of the heavy oils transportation in curved connections by numerical simulation via software ANSYS CFX® Release 15.0. It used a mathematical model that considers the mixture model to treat heavy oil-water two-phase flow, three-dimensional, transient and isothermal, assuming laminar flow to oil phase and turbulent flow to water phase, using k-ε turbulence model. An energy analysis involving pumps was performed. Results of pressure, velocity and volumetric fraction fields for the two phases are show and analysed. It was verified that the use of core-flow technique has decreased in 95.4% friction pressure drop as compared to monophase heavy oil flow and that stop-and-go from the oil and water pumps affect pressure drop by friction

Submitted by Maicon Juliano Schmidt (maicons) on 2015-03-30T19:21:01Z No. of bitstreams: 1 Jéferson Diehl de Oliveira.pdf: 1682128 bytes, checksum: 754d96de0ab9ab919137513dac6fe705 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-30T19:21:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jéferson Diehl de Oliveira.pdf: 1682128 bytes, checksum: 754d96de0ab9ab919137513dac6fe705 (MD5) Previous issue date: 2013-01-31 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo experimental da transferência de calor e queda de pressão na ebulição convectiva do hidrocarboneto isobutano (R-600a) em um mini-tubo horizontal e circular de 2,6 mm de diâmetro interno. Também é analisada a influência do diâmetro sobre a queda de pressão em escoamento adiabático. No caso dos experimentos envolvendo a ebulição convectiva, os testes foram realizados com uma temperatura de saturação de 22 ºC, com uma pressão média de saturação de 323,5 kPa, com velocidade mássica variando entre 188 e 370 kg/(m²s) e fluxo de calor constante na seção de teste entre 28 e 134 kW/m². Os resultados obtidos experimentalmente foram comparados com resultados de correlações para a queda de pressão por atrito e o coeficiente de transferência de calor propostas por diferentes autores para ebulição em canais de pequeno diâmetro. Também foram observados os padrões de escoamento ao longo dos testes com o auxílio de uma câmera com alta velocidade de captura e relacionados com o fluxo de calor, título de vapor e o coeficiente de transferência de calor. / This work presents an experimental study of heat transfer and pressure drop in flow boiling of hydrocarbon isobutane (R-600a) in a horizontal and circular mini-tube with 2.6 mm of inner diameter. It is also analyzed the influence of diameter on the pressure drop in adiabatic flow. In the case of experiments involving flow boiling, the tests were performed at a saturation temperature of 22°C with a mean saturation pressure of 323.5 kPa, with mass velocity ranging between 188 and 370 kg/(m²s) and constant heat flux in the test section between 28 and 134 kW/m². The results obtained experimentally were compared with results of correlations for pressure drop due to friction and heat transfer coefficients proposed by different authors for boiling in channels of small diameter. It was also observed flow patterns along the tests with the aid of a camera with high speed capture and related with heat flux, vapor quality and heat transfer coefficient.

Orientador: Elaine Maria Cardoso / Resumo: Dissipadores de calor compactos, baseados em microcanais, têm se mostrado um meio eficaz para o resfriamento de dispositivos de alta densidade de energia, tais como microprocessadores, além de proporcionarem redução de material utilizado para a fabri-cação e do inventário de fluido refrigerante necessário. Sistemas bifásicos que operam com fluidos refrigerantes proporcionam coeficientes de transferência de calor elevados para baixos valores de velocidade mássica e uma distribuição de temperatura mais uni-forme na superfície. O presente estudo teve por objetivo avaliar experimentalmente o desempenho de um dissipador de calor baseado em microcanais, em condições de ebuli-ção convectiva saturada do fluido HFE-7100. O dissipador, em cobre eletrolítico, possui 33 microcanais de seção retangular com dimensões de 10 mm de comprimento, 200 μm de largura, 500 μm de altura e espaçados 100 μm entre si. A eficiência térmica do dissi-pador foi avaliada utilizando como fluido de trabalho o HFE-7100 (fluido refrigerante com baixo ozone depleting potencial, ODP, e global warming potential, GWP). Dados experimentais para o coeficiente de transferência de calor (CTC) e perda de pressão fo-ram obtidos em condições de escoamento monofásico e bifásico saturados, para diferen-tes valores de velocidades mássicas. As condições testadas foram de fluxo de calor im-posto (footprint) variando de 50 a 700 kW/m², com velocidades mássicas do fluido entre 392 e 875 kg/m²s, obtendo coeficientes de transferên... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Microchannel-based heat sinks have been shown to be an effective way of cool-ing high-density energy devices such as microprocessors, as well as reducing the material used to manufacture the exchangers and the required refrigerant inventory. Two-phase flow systems that operate with refrigerant fluids provide high heat transfer coefficients with low mass flux values and more uniform temperature distribution on the surface. The present study aimed to evaluate experimentally the performance of a heat sink based on microchannels under saturated conditions of convective boiling of HFE-7100 fluid. The analyzed heat sink has 33 rectangular section microchannels measuring 10 mm length, 200 μm wide, 500 μm high and spaced 100 μm apart. The heat sink was evaluat-ed using HFE-7100 (low ozone-depleting potential, ODP, and global warming potential, GWP) as working fluid. Experimental data for the heat transfer coefficient and pressure drop were obtained under saturated single and two-phase flow conditions for different values of mass velocities. An experimental apparatus was assembled and validated for the accomplishment of testing. As experimental conditions, the heat flux was applied in a range from 50 to 700 kW/m², with mass flux from 392 and 875 kg/m²s, obtaining a heat transfer coefficient of 60 kW/m² and pressure drop up to 12 kPa. By decreasing the mass flux and the input of the subcooling the HTC increases; the pressure drop increases monotonically with the increase in the mass fl... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

O escoamento estratificado óleo-água é bastante comum na indústria do petróleo, especialmente em poços direcionas offshore, oleodutos e gasodutos. Entretanto, existem poucos trabalhos na literatura sobre a natureza da estrutura ondulatória observada no escoamento em dutos ascendentes ou descendentes a partir da horizontal. O objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades geométricas e cinemáticas da onda interfacial, i.e, forma média, comprimento, amplitude e celeridade, e assim contribuir para a compreensão do papel da onda interfacial na dinâmica do escoamento estratificado. Um software baseado em plataforma Labview® possibilitou a automação para obtenção dos dados das ondas interfaciais extraídas de imagens de vídeos de alta resolução. Além das propriedades das ondas, também se coletaram valores de fração volumétrica in situ e de gradiente de pressão bifásico para cinco ângulos de inclinação (-20°, -10°, 0°, 10° e 20°) em diferentes pares de vazões de óleo e água. Desenvolveu-se um modelo fenomenológico considerando os termos ondulatórios do escoamento para o cálculo da fração volumétrica in situ e do gradiente de pressão bifásico, sendo comparado com modelos disponíveis na literatura e dados experimentais. A concordância do modelo proposto com os dados coletados neste trabalho se mostrou muito boa, o que sugere um avanço em comparação ao existente na literatura. O estudo da equação da onda de perturbação interfacial para o escoamento estratificado óleo-água indicou que a natureza da onda observada é cinemática e não dinâmica; e baseado na equação da celeridade da onda cinemática pode-se confrontar a celeridade experimental com a teórica, revelando boa concordância. / The oil-water stratified flow is quite common in the oil industry, especially in offshore directional wells and pipelines. However, there are few studies on the physics of the wavy structure observed in upward and downward stratified flow. The goal of this work was to study the geometric and kinematic properties of interfacial waves, i.e., the average shape, wavelength, amplitude and celerity. A homemade Labview®-based software enabled the automatic acquisition of data extracted from frames obtained via high resolution video recording. In situ volume fraction and two-phase pressure gradient data for five inclination angles (-20°, -10°, 0°, 10° and 20°) at several pairs of oil and water flow rates were also collected. A phenomenological model that takes into account the wavy structure is proposed to calculate volume fractions and two-phase pressure gradient and it was compared with available models from the literature and experimental data. The good agreement of the proposed model with the data collected in this study is promising and suggests that it may provide better predictions in comparison with models from the literature. The study of the interfacial perturbation wave equation for stratified flow indicates that the observed waves nature is kinematic and not dynamic; and based on the kinematic wave velocity equation we could compare the experimental celerity with the theoretical one, with good agreement.

O escoamento estratificado óleo-água é bastante comum na indústria do petróleo, especialmente em poços direcionas offshore, oleodutos e gasodutos. Entretanto, existem poucos trabalhos na literatura sobre a natureza da estrutura ondulatória observada no escoamento em dutos ascendentes ou descendentes a partir da horizontal. O objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades geométricas e cinemáticas da onda interfacial, i.e, forma média, comprimento, amplitude e celeridade, e assim contribuir para a compreensão do papel da onda interfacial na dinâmica do escoamento estratificado. Um software baseado em plataforma Labview® possibilitou a automação para obtenção dos dados das ondas interfaciais extraídas de imagens de vídeos de alta resolução. Além das propriedades das ondas, também se coletaram valores de fração volumétrica in situ e de gradiente de pressão bifásico para cinco ângulos de inclinação (-20°, -10°, 0°, 10° e 20°) em diferentes pares de vazões de óleo e água. Desenvolveu-se um modelo fenomenológico considerando os termos ondulatórios do escoamento para o cálculo da fração volumétrica in situ e do gradiente de pressão bifásico, sendo comparado com modelos disponíveis na literatura e dados experimentais. A concordância do modelo proposto com os dados coletados neste trabalho se mostrou muito boa, o que sugere um avanço em comparação ao existente na literatura. O estudo da equação da onda de perturbação interfacial para o escoamento estratificado óleo-água indicou que a natureza da onda observada é cinemática e não dinâmica; e baseado na equação da celeridade da onda cinemática pode-se confrontar a celeridade experimental com a teórica, revelando boa concordância. / The oil-water stratified flow is quite common in the oil industry, especially in offshore directional wells and pipelines. However, there are few studies on the physics of the wavy structure observed in upward and downward stratified flow. The goal of this work was to study the geometric and kinematic properties of interfacial waves, i.e., the average shape, wavelength, amplitude and celerity. A homemade Labview®-based software enabled the automatic acquisition of data extracted from frames obtained via high resolution video recording. In situ volume fraction and two-phase pressure gradient data for five inclination angles (-20°, -10°, 0°, 10° and 20°) at several pairs of oil and water flow rates were also collected. A phenomenological model that takes into account the wavy structure is proposed to calculate volume fractions and two-phase pressure gradient and it was compared with available models from the literature and experimental data. The good agreement of the proposed model with the data collected in this study is promising and suggests that it may provide better predictions in comparison with models from the literature. The study of the interfacial perturbation wave equation for stratified flow indicates that the observed waves nature is kinematic and not dynamic; and based on the kinematic wave velocity equation we could compare the experimental celerity with the theoretical one, with good agreement.

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura. / Two-phase flows are present in many natural and industrial processes, such as in the oil industry. They may be found arranged in several flow patterns, including the wavy stratified flow and the stratified with mixing at the interface. The stratified oil-water flow has been used as a convenient way to avoid the formation of emulsions of water in oil and have a common occurrence in directional oil wells. When the interfacial wave exceeds a certain geometric and kinematic limit the phenomenon of drop entrainment arises at the interface, causing an increase of pressure drop. Models have been presented in the literature in an attempt to describe the phenomenon of drop entrainment. In this work, we present a new method for the one-dimensional mathematical modeling of entrainment in order to improve the prediction of oil volume fraction and pressure drop. It was also used a commercial computational fluid dynamics tool (CFD) to obtain the values of flow parameters of wavy stratified oil-water flow, such as oil volume fraction, pressure drop, amplitude and length of the interfacial waves. The results of the phenomenological modeling for entrainment and CFD were compared with experimental databases. The CFD results are in agreement with the experimental results in both the qualitative analysis of the geometric properties of the interfacial waves and in direct comparison with oil-volumetric-fraction and pressure-drop data. The numerical results of the phenomenological model for entrainment factors are in agreement with data from the literature.

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura. / Two-phase flows are present in many natural and industrial processes, such as in the oil industry. They may be found arranged in several flow patterns, including the wavy stratified flow and the stratified with mixing at the interface. The stratified oil-water flow has been used as a convenient way to avoid the formation of emulsions of water in oil and have a common occurrence in directional oil wells. When the interfacial wave exceeds a certain geometric and kinematic limit the phenomenon of drop entrainment arises at the interface, causing an increase of pressure drop. Models have been presented in the literature in an attempt to describe the phenomenon of drop entrainment. In this work, we present a new method for the one-dimensional mathematical modeling of entrainment in order to improve the prediction of oil volume fraction and pressure drop. It was also used a commercial computational fluid dynamics tool (CFD) to obtain the values of flow parameters of wavy stratified oil-water flow, such as oil volume fraction, pressure drop, amplitude and length of the interfacial waves. The results of the phenomenological modeling for entrainment and CFD were compared with experimental databases. The CFD results are in agreement with the experimental results in both the qualitative analysis of the geometric properties of the interfacial waves and in direct comparison with oil-volumetric-fraction and pressure-drop data. The numerical results of the phenomenological model for entrainment factors are in agreement with data from the literature.