[pt] Muitas indústrias usam em seus processos materiais viscoplásticos. Esses materiais possuem propriedades que dependem fortemente da temperatura. Não é incomum encontrar processos envolvendo escoamentos não isotérmicos de materiais viscoplásticos. Nesses casos, informações sobre a transferência de calor são extremamente necessárias para um bom atendimento e aperfeiçoamento das operações.
Fluidos de perfuração são tipicamente suspensões aquosas, e, por consequência, de natureza viscoplástica.Tais fluidos devem possuir densidade correta para manter a integridade física dos poços e evitar a produção prematura de hidrocarbonetos. Além disso, suas propriedades reológicas devem garantir a capacidade de arraste das partículas de rocha geradas durante o processo de perfuração, com um mínimo de potência de bombeamento.
Tais particularidades requerem fluidos com baixas viscosidades a altas taxas de cisalhamento, que ocorrem em regiões próximas à parede, e altas viscosidades quando as taxas de deformação são baixas, o que ocorre na vizinhança do cascalho. Materiais viscoplásticos apresentam este tipo de comportamento.
Portanto, o sucesso do processo de extração do petróleo depende do conhecimento e controle das propriedades reológicas dos fluidos de perfuração, as quais são fortemente dependentes da temperatura. Por esse motivo, a determinação do campo de temperatura no fluido de perfuração em escoamento faz-se necessária ainda em nível de projeto, o que só é possível com o conhecimento dos coeficientes de troca de calor.
Estuda-se neste trabalho o problema da transferência de calor na região de entrada de escoamentos laminares de fluidos viscoplásticos através de espaços anulares. O comportamento do material é representado pelo modelo do fluido Newtoniano generalizado, com a função viscosidade descrita pela equação de Herschel-Bulkley. As equações de conservação são resolvidas numericamente via o método de volumes finitos. Investigam-se os efeitos (no coeficiente de troca de calor) da tensão limite de escoamento, índice power-law, razão de aspecto e dos números adimensionais de Reynolds e Peclet.
Dentre outras conclusões, mostra-se que o números de Nusselt é uma função muito fraca das propriedades reológicas, desviando-se muito pouco dos valores Newtonianos. Surpreendentemente, esta conclusão contrasta-se fortemente com o comportamento observando em escoamentos de materiais viscoplásticos através de tubos. Convém enfatizar a importância desse fato no que tange a projetos de processos. / [en] There are many industries that use in their processes viscoplastic materials. These materials have properties that strongly depend on temperature. It is not uncommon to find processes involving the non-isothermal flow of viscoplastic materials. For these cases, heat transfer information is needed to allow reliable process designs.
Drilling muds are typically aqueous suspensions and, consequently, viscoplastic in nature. They must have the correct density to provide the pressure needed for well integrity, and for avoiding premature production of hydrocarbons. Their rheological properties must be such as to aloe carrying the drill chips with a minimum of pumping power. This requires a highly shear-thinning rheological behavior. Also, the success of a well cementing operation depends to a great extent on the knowledge and control of cement rheological properties, which are also temperature dependent.
In this work, heat transfer in the entrance-region flow of viscoplastic materials through annular spaces is analyzed. The flow is laminar, and the material is assumed to behave as a Generalized Newtonian fluid, with a Herschel-Bulkley viscosity function. The conservation equations are solved numerically via a finite volume method. The effect on heat transfer of yield stress, power-law exponent, aspect ratio and dimensionless Peclet and Reynolds numbers is investigated.
Among other findings, it is shown that the Nusselt number is a rather weak function of the rheological properties, deviating very little from the Newtonian values. Surprisingly, this stands in strong contrast to the behavior observed for flows of viscoplastic materials through tubes. It is worth noting that this finding has important consequences in process design.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:26507 |
| Date | 31 May 2016 |
| Creators | EDSON JOSE SOARES |
| Contributors | MONICA FEIJO NACCACHE |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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