eugenio fredericci simões simulação do regime intermitente

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Eugenio Fredericci Simões Simulação do regime intermitente em tubulações horizontais com transferência de calor utilizando o Modelo de Dois Fluidos Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós- graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientadora: Profa. Angela Ourivio Nieckele Co-Orientador: Dr. João Neuenschwander Escosteguy Carneiro Rio de Janeiro Julho de 2012

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Eugenio Fredericci Simões

Simulação do regime intermitente em tubulações

horizontais com transferência de calor utilizando o Modelo

de Dois Fluidos

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.

Orientadora: Profa. Angela Ourivio Nieckele

Co-Orientador: Dr. João Neuenschwander Escosteguy Carneiro

Rio de Janeiro

Julho de 2012

DBD
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1011972/CB

Eugenio Fredericci Simões

Simulação do regime intermitente em tubulações

horizontais com transferência de calor utilizando o Modelo

de Dois Fluidos

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Profa. Angela Ourivio Nieckele Orientadora

Departamento de Engenharia Mecânica – PUC-Rio

Dr. João Neuenschwander Escoteguy Carneiro Co-Orientador

SINTEF BRASIL

Dr. Ricardo Marques de Toledo Camargo PETROBRAS

Prof. Antônio Carlos Bannwart UNICAMP

Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro

Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 27 de Julho de 2012

DBD
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1011972/CB

Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total

ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do

autor e do orientador.

Eugenio Fredericci Simões

Graduou-se em Engenharia Elétrica na PUC-RJ no ano de

2004, com ênfase em eletrônica e sistemas de apoio à

decisão. É engenheiro de equipamentos na PETROBRAS,

aonde atua na área de Engenharia Submarina.

Ficha Catalográfica

CDD: 621

Simões, Eugenio Fredericci Simulação do regime intermitente em tubulações horizontais com transferência de calor utilizando o modelo de dois fluidos / Eugenio Fredericci Simões ; orientadora: Angela Ourivio Nieckele, co-orientador: João Neuenschwander Escoteguy Carneiro. – 2012. 116 f. : il. (color.) ; 30 cm Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Mecânica, 2012. Inclui bibliografia 1. Engenharia mecânica – Teses. 2. Escoamento em golfadas. 3. Tubulação horizontal. 4. Uni-dimensional. 5. Modelos de dois fluidos. 6. Transferência de calor. I. Nieckele, Angela Ourivio. II. Carneiro, João Neuenschwander Escoteguy. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica. III. Título.

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Agradecimentos

À Petrobras, pela oportunidade e incentivo à realização do mestrado.

Ao Dr. Valdir Estevam (PETROBRAS), pela ajuda na seleção do tema do

mestrado e incentivo à realização do curso.

Aos Engenheiros Cezar Paulo e Alex Dal Pont (PETROBRAS), pelo

incentivo ao trabalho.

À Profa. Angela Ourivio Nieckele, pela enorme dedicação, vontade de

ensinar e valiosa orientação.

Ao Dr. João Neuenschwander Escoteguy Carneiro, pela imensa

contribuição à este trabalho e pelos valiosos ensinamentos.

À minha família, pelo enorme apoio dado em todos os momentos e eterno

carinho, em especial ao meu Pai, que foi um grande incentivador da

realização do mestrado.

À minha esposa, Carolina, pelo carinho e por sempre estar do meu lado

quando preciso de apoio.

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Resumo

Simões, Eugenio Fredericci; Carneiro, João Neuenschwander Escoteguy;

Nieckele, Angela Ourivio. Simulação do regime intermitente em

tubulações horizontais com transferência de calor utilizando o Modelo

de Dois Fluidos. Rio de Janeiro, 2012. 116p. Dissertação de Mestrado -

Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica

do Rio de Janeiro.

Neste trabalho, um escoamento bifásico intermitente de ar-água em uma

tubulação horizontal com transferência de calor é estudado. Para tanto, um

código 1D não-isotérmico do tipo slug capturing é desenvolvido, baseado no

Modelo de Dois Fluidos, e a solução numérica é obtida através do método de

volumes finitos. Um estudo é desenvolvido para verificar a influência do

comprimento do duto e da inserção de um ruído branco na entrada do duto. Para

o comprimento da tubulação, as variáveis térmicas apresentaram pouca

influência, contudo é observado um crescimento das golfadas com o aumento da

tubulação. É demonstrado que é possível reduzir o comprimento necessário para

a formação das golfadas com a introdução do ruído branco. Uma análise é

realizada utilizando diferentes condições operacionais de escoamento no regime

de golfadas, ao longo de um duto com perda de calor para o ambiente. Duas

condições de contorno térmicas (fluxo ou temperatura prescritos) e correlações

para avaliar o coeficiente de transferência de calor interno são investigadas. As

variáveis térmicas obtidas são comparadas com dados experimentais e boa

concordância é observada. Finalmente, as propriedades características das

golfadas, tais como a velocidade de translação, comprimento da golfada e bolha

são comparadas com correlações disponíveis na literatura, obtendo boa

concordância entre os resultados.

Palavras-chave

Escoamento em Golfadas; Tubulação Horizontal; Uni-Dimensional;

Modelo de Dois Fluidos; Transferência de Calor.

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Abstract

Simões, Eugenio Fredericci; Carneiro, João Neuenschwander Escoteguy;

Nieckele, Angela Ourivio. Simulation of the intermittent flow regime in

horizontal pipes with heat transfer using the Two-Fluid Model. Rio de

Janeiro, 2012. 116p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia

Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

In this work, a two-phase air-water slugging flow in a horizontal pipe with

heat transfer is analyzed. To this end, a non-isothermal 1D slug-capturing code is

developed, based on the Two Fluid Model, and the numerical solution is obtained

by means of the finite volume method. An analysis was performed to verify the

influence of the pipe length and a white noise inserted at the pipe entrance. For

the pipe length, the thermal variables remain almost unaffected, although a

growth of the slugs with larger upstream pipe lengths is observed. For the white

noise analysis, it was shown that it is possible to reduce the length necessary to

form slugs. Different operational conditions are examined for the slug regime

along a pipe with heat loss to the ambient. Two thermal boundary conditions

(prescribed heat flux or external temperature) and internal heat convection

correlations are considered. Good agreement is obtained when compared with

experimental data. Finally, the slugs characteristic properties, such as

translational velocity, slug and bubble length are compared with correlations

available in the literature, showing good agreement.

Keywords

Slug Flow; Horizontal Pipe; One-Dimensional; Two Fluid Model; Heat

Transfer.

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Sumário

1. Introdução

1.1. Objetivo

1.2. Organização do Trabalho

2. Revisão bibliográfica

2.1. Regime de Golfadas

2.2. Transferência de Calor no Regime de Golfadas sem Mudança de Fase

2.3. Simulação Numérica de Escoamento Bifásico no Regime de Golfadas

3. Modelagem Matemática

3.1. Equações Governantes

3.2. Equações de Estado

3.3. Tensões Cisalhantes

3.4. Fluxos de Calor

3.5. Variáveis Auxiliares

3.6. Característica Física das Golfadas

4. Método Numérico

4.1. Fração Volumétrica

4.2. Velocidades

4.3. Pressão

4.4. Entalpias

4.5. Condições de Contorno e Iniciais

4.6. Procedimento de Execução

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4.7. Tratamento para a Golfada

4.8. Critérios para o Passo de Tempo

4.8. Critério de Convergência

5. Resultados

5.1. Configuração Analisada

5.2. Teste de Malha

5.3. Comparações com os Resultados Experimentais

5.4. Análise dos Casos

6. Comentários Finais

6.1. Conclusões

6.2. Recomendações de Trabalhos Futuros

Referências Bibliográficas

Apêndice A – Validação – Escoamento Monofásico

Apêndice B – Validação – Escoamento Estratificado

Apêndice C – Influência de Parâmetros Numéricos

C.1. Influência do Tamanho da Entrada

C.2. Introdução de um Ruído Branco na Entrada

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Lista de tabelas

Tabela 3.1 - Correlações para o fator de atrito.

Tabela 5.1 - Ensaios de Lima (2009) selecionados para este

estudo.

Tabela 5.2 - Comparação entre a correlação de Chrisholm (1983)

com fração volumétrica média na seção de troca

térmica.

Tabela 5.3 - Comparação entre as velocidades médias de

translação da bolha e do pistão de líquido ao longo da

seção de troca térmica com a correlação de

Bendiksen.

Tabela 5.4 - Comparação entre as frequências de golfada médias

na seção de troca térmica, medidas pelos métodos 0,

A e B.

Tabela C.1 - Resultados para as simulações com Lup = 13,929 m e

com a adição de ruído branco.

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Lista de figuras

Figura 1.1 - Padrões de escoamento multifásico para tubulações

horizontais e verticais.

Figura 1.2 - Mapa de padrões de escoamento multifásico para

tubulações horizontais

Figura 2.1 - Configuração de Tubulação que promove o surgimento

da Golfada Severa.

Figura 2.2 - Gás escoando através da crista da onda.

Figura 2.3 - Efeito da viscosidade nas curvas de estabilidade neutra.

Figura 2.4 - Curvas de estabilidade neutra de VKH e IKH e os

padrões de escoamento.

Figura 2.5 - Modelo de Célula Unitária.

Figura 2.6 - Gráfico do coeficiente de transferência de calor no

fundo e no topo da tubulação, para tubulação de 5.7 cm

de diâmetro.

Figura 3.1 - Esquema com os parâmetros geométricos.

Figura 3.2 - Esquema do modelo para transferência de calor para

temperatura externa da parede ou ambiente constante.

Figura 3.3 - Esquema do modelo para transferência de calor para

fluxo de calor com a parede constante.

Figura 3.4 - Definições das grandezas das golfadas.

Figura 3.5 - Ilustração do esquema de correção da medição da

frequência pela velocidade (Eq. 3.45).

Figura 4.1 - Volumes de controle (a) escalar e (b) vetorial.

Figura 4.2 - Volumes de controle escalar da (a) entrada e (b) saída.

Figura 4.3 - Fluxograma de Solução.

Figura 5.1 - Trocador de Calor Tubular.

Figura 5.2 - Disposição dos Termopares.

Figura 5.3 - Esquema da tubulação, com o trecho de entrada

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isotérmico.

Figura 5.4 - Médias Móveis para (a) 11,9 segundos de simulação e

(b) 101,2 segundos de simulação.

Figura 5.5 - Variação do coeficiente de transferência de calor e do

fluxo de calor com a malha.

Figura 5.6 - Variação da pressão diferencial na seção de troca

térmica e da temperatura de saída com a malha.

Figura 5.7 - Frequências médias na seção de troca térmica.

Medição pelo: (a) método 0, (b) método A, (c) método B.

Figura 5.8 - Teste de malha: Comprimento da Célula Unitária.

Figura 5.9 - Teste de malha: (a) comprimento da bolha e (b)

velocidade de translação da bolha.

Figura 5.10 - Teste de malha: (a) comprimento da golfada e (b)

velocidade de translação da golfada.

Figura 5.11 - Comparação dos resultados com os dados

experimentais para o fluxo de calor e o coeficiente de

transferência de calor bifásico.

Figura 5.12 - Comparação dos resultados com os dados

experimentais para a queda de temperatura e a queda

de pressão na seção de troca térmica.

Figura 5.13 - Comparação dos resultados com os dados

experimentais para a queda de temperatura e

coeficiente de transferência de calor bifásico na seção

de troca térmica, considerando a definição da

temperatura de mistura da Eq. 5.5.

Figura 5.14 - Comparação dos resultados com os dados

experimentais para a queda de temperatura e

coeficiente de transferência de calor bifásico na seção

de troca térmica, considerando a definição da

temperatura de mistura da Eq. 5.6.

Figura 5.15 - Comparação dos resultados com os dados

experimentais para a queda de temperatura e

coeficiente de transferência de calor bifásico na seção

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de troca térmica, considerando a definição da

temperatura de mistura da Eq. 5.5.

Figura 5.16 - Média temporal do fluxo de calor bifásico ao longo da

seção de troca térmica. Simulação realizada para o

caso #9 de Lima (2009) com temperatura externa

imposta e correlação de Gnielinski (1976) para os

coeficientes de convecção internos.

Figura 5.17 - Média temporal do coeficiente de transferência de calor

bifásico ao longo da seção de troca térmica: (a) caso #9

de Lima (2009) com correlação de Gnielinski (1976); (b)

caso #25 de Lima (2009) com correlação de Gnielinski

(1976).

Figura 5.18 - Holdup ao longo da tubulação por volta de 350s: (a)

caso #9 de Lima (2009) com correlação de Gnielinski

(1976); (b) caso #25 de Lima (2009) com correlação de

Gnielinski (1976).

Figura 5.19 - Evolução temporal do Holdup na seção de troca térmica

por volta de 350s: (a) caso #9 de Lima (2009) com

correlação de Gnielinski (1976); (b) caso #25 de Lima

(2009) com correlação de Gnielinski (1976).

Figura 5.20 - Média temporal da fração volumétrica de gás ao longo

da tubulação: (a) caso #9 de Lima (2009) com

correlação de Gnielinski (1976); (b) caso #25 de Lima

(2009) com correlação de Gnielinski (1976).

Figura 5.21 - Média temporal da temperatura de mistura ao longo da

seção de troca térmica: (a) caso #25 de Lima (2009)

com correlação de Gnielinski (1976); (b) caso #25 de

Lima (2009) com fluxo de calor constante.

Figura 5.22 - Histogramas normalizados do comprimento da célula

unitária para o caso #25 de Lima (2009) com

temperatura externa imposta e correlação de Gnielinski

(1976): (a) início da seção de troca térmica; (b) final da

seção de troca térmica.

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Figura 5.23 - Histogramas normalizados do comprimento do pistão de

líquido para o caso #25 de Lima (2009) com

temperatura externa imposta e correlação de Gnielinski

(1976): (a) início da seção de troca térmica; (b) final da

seção de troca térmica.

Figura 5.24 - Histogramas normalizados do comprimento da bolha

para o caso #25 de Lima (2009) com temperatura

externa imposta e correlação de Sieder e Tate (1936):

(a) início da seção de troca térmica; (b) final da seção

de troca térmica.

Figura 5.25 - Propriedades médias da golfada ao longo da seção de

troca térmica para simulações com temperatura externa

imposta e correlação de Gnielinski (1976): (a)

comprimento do pistão de líquido; (b) comprimento da

bolha.

Figura 5.26 - Comprimento médio da célula unitária ao longo da

seção de troca térmica para simulações com

temperatura externa imposta e correlação de Gnielinski

(1976).

Figura 5.27 - Velocidade média de translação da golfada ao longo da

seção de troca térmica para simulações com

temperatura externa imposta e correlação de Gnielinski

(1976): (a) velocidade de translação da bolha e (b)

velocidade de translação da golfada.

Figura 5.28 - Comparação entre as velocidades médias de translação

da bolha e do pistão de líquido para os casos #9 e #25

de Lima (2009) para simulações com temperatura

externa imposta e correlação de Gnielinski (1976).

Figura 5.29 - Comparação entre a frequência medida pelo método 0

e diversas correlações para frequência das golfadas.

Figura 5.30 - Resultados obtidos por Al-Safran para a sua correlação

de frequência. Fonte: Al-Safran (2008).

Figura 5.31 - Velocidades do pistão de líquido e da bolha ao longo da

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seção de troca térmica para o caso #25 de Lima (2009),

considerando fluxo de calor constante e escoamento

isotérmico.

Figura 5.32 - Comprimentos do pistão de líquido, da bolha e da célula

unitária ao longo da seção de troca térmica para o caso

#25 de Lima (2009), considerando fluxo de calor

constante e escoamento isotérmico.

Figura 5.33 - Fração volumétrica de gás média ao longo da seção de

troca térmica para o caso #25 de Lima (2009),

considerando fluxo de calor constante e escoamento

isotérmico.

Figura A.1 - Resultados para o caso de fluxo de calor constante: (a)

Temperaturas (b) Erro absoluto.

Figura A.2 - Resultados para o caso de temperatura externa

constante: (a) Temperaturas (b) Fluxo de calor.

Figura A.3 - Resultados para o caso de temperatura externa

constante: (a) Erro absoluto para a Temperatura (b)

Erro absoluto para o fluxo de calor.

Figura B.1 - Regime Permanente: (a) Temperatura da água (b)

Temperatura do ar.

Figura B.2 - Transiente: (a) Temperatura da água (b) Temperatura

do ar.

Figura C.1 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários Lup: (a) coeficiente de transferência

de calor bifásico e (b) fluxo de calor bifásico.

Figura C.2 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários Lup: (a) queda de pressão e (b)

temperatura de saída.

Figura C.3 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários Lup: (a) Frequência medida pelo

método 0 e (b) comprimento da célula unitária.

Figura C.4 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários Lup: (a) comprimento da bolha e (b)

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velocidade de translação da bolha.

Figura C.5 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários Lup: (a) comprimento do pistão de

líquido e (b) velocidade de translação do pistão de

líquido.

Figura C.6 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários WNA: (a) coeficiente de

transferência de calor bifásico e (b) fluxo de calor

bifásico.

Figura C.7 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários WNA: (a) queda de pressão e (b)

temperatura de saída.

Figura C.8 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários WNA: (a) Frequência medida pelo

método 0 e (b) comprimento da célula unitária.

Figura C.9 - Propriedades médias do escoamento na seção de troca

térmica para vários WNA: (a) comprimento da bolha e

(b) velocidade de translação da bolha.

Figura C.10 - Propriedades médias do escoamento na seção de

troca térmica para vários WNA: (a) comprimento do

pistão de líquido e (b) velocidade de translação do

pistão de líquido.

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Lista de símbolos

A Área da seção transversal da tubulação [ ]

C Número de Courant

Co Parâmetro de distribuição

Calor Específico Isobárico [J/Kg K]

Diâmetro da tubulação [ ]

Frequência [Hz] ou Fluxo Convectivo

f Fator de atrito

Fr Número de Froude

g Aceleração da gravidade [ ⁄ ]

hL Altura da superfície do líquido no escoamento estratificado [ ]

h Coeficiente de Transferência de Calor [ ⁄ ]

Entalpia [J/Kg]

Condutividade Térmica da Parede [ ⁄ ]

Condutividade Térmica [ ⁄ ]

L Comprimento [ ]

q" Fluxo de calor [ ⁄ ]

Vazão mássica [Kg/s]

Número de amostras para cálculo da média móvel

Número de Nusselt

P Pressão interfacial [ ]

Número de Prandtl

Constante do gás [J/Kg K]

Re Número de Reynolds

Resistência Térmica [ ⁄ ]

Raio interno [ ]

Raio externo [ ]

S Perímetro molhado [ ]

D

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t Tempo [ ]

T Temperatura [ ]

Velocidade [ ]

WNA Amplitude máxima do ruído branco

x Coordenada axia

Símbolos gregos Fração volumétrica da fase

Ângulo de inclinação da tubulação com respeito à horizontal [rad]

ou Variação de uma grandeza

Fator de subrelaxação

Viscosidade dinâmica [Pa s]

Viscosidade cinemática [ ]

Constante Pi

Massa específica [ ⁄ ]

Tensão de cisalhamento [Pa]

Subscritos

AG Água Gelada

AVG Médio

b Relativo à bolha

d Deslizamento (Drift)

E Referente ao centro do volume principal de controle a leste

entrada Entrada da tubulação

e,w Faces leste e oeste do volume de controle principal

ex Externo

G Fase gasosa

I Iésimo ponto nodal

i Interface

in Interno

k Relativo a fase k

L Fase líquida

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m Mistura

max Máximo valor

P Referente ao centro do volume de controle principal ou à Parede.

ref Referência

s Referente ao Pistão de Líquido

saída Saída da tubulação

sk Superficial, relativa a fase k

TP Bifásico

u Relativo à célula unitária

UP Referente ao trecho de tubulação à montante

w Parede da Tubulação

W Referente ao centro do volume principal de controle a leste

Sobrescritos

o Referente ao passo de tempo anterior

^ Referente a uma grandeza aproximada mediante o esquema

upwind

~ Referente a uma grandeza aproximada

* Referente à iteração anterior

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