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Título: Modelagem mecanicista da transferência de calor no escoamento bifásico líquido-gás em golfadas considerando o efeito Joule-Thomson
Título(s) alternativo(s): Mechanistic modeling of two-phase liquid-gas slug flows with heat transfer and considering the Joule-Thomson effect
Autor(es): Pereira, Fernando Henrique Gomes
Orientador(es): Morales, Rigoberto Elezar Melgarejo
Palavras-chave: Escoamento multifásico
Calor - Transmissão
Pressão
Hidrodinâmica
Engenharia mecânica
Multiphase flow
Heat - Transmission
Pressure
Hydrodynamics
Mechanical engineering
Data do documento: 20-Jun-2016
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: PEREIRA, Fernando Henrique Gomes. Modelagem mecanicista da transferência de calor no escoamento bifásico líquido-gás em golfadas considerando o efeito Joule-Thomson. 2016. 92 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2016.
Resumo: O escoamento bifásico líquido-gás em golfadas é amplamente encontrado na indústria, em especial nas linhas de produção de óleo e gás. A maioria da produção de petróleo nacional é offshore, no qual o resfriamento da mistura de óleo e gás é feita através da tubulação pelo meio externo marítimo. A queda de temperatura influencia as propriedades da mistura, assim como ocasiona uma mudança na vazão volumétrica das fases, em especial o gás. Nesse contexto, o presente trabalho visa desenvolver uma modelagem mecanicista da transferência de calor para escoamentos em golfadas a alta pressão. Nos casos de alta pressão, o gás deve ser tratado como real e a massa específica do gás não pode ser desprezada, como usualmente vem sendo feito nestes tipos de modelos na literatura. Os fenômenos de troca de calor do gás com a parede do duto e de variação de temperatura com a queda de pressão - conhecido como efeito Joule-Thomson - devem ser levados em consideração. A modelagem matemática engloba a troca térmica das fases com a parede da tubulação e a troca térmica entre duas células unitárias - conhecido como scooping térmico. Além disso, um termo de geração é incluído no balanço de energia para representar o efeito Joule-Thomson. Resultados para escoamento de metano e água com pressões na entrada variando de 100 a 250 bar serão mostrados para uma tubulação de 1,5 km. Os efeitos da pressão de entrada – relativos principalmente a massas específicas do gás mais elevadas – serão mostrados para a hidrodinâmica (velocidades, pressão) e transferência de calor (temperatura e coeficiente de transferência de calor) do escoamento em golfadas, assim como para a geometria da célula unitária (comprimentos e frações de fase).
Abstract: The gas-liquid two-phase slug flow is largely found in the industry, especially in oil and gas production operations. The major part of the Brazilian oil production is offshore, where the cooling process of the oil-gas mixture is done through the pipe wall due to the external marine environment. The temperature decrease influences the properties of the mixture and also generates a change in the volume flow of the phases, especially the gas. Based on this context, the following research aims at developing a mechanistic model for the heat transfer in slug flows at high-pressure scenarios. In these scenarios, the gas must be treated as real and its density cannot be neglected in comparison to the liquid phase one, as it has usually been done in such type of models. The heat exchange between the gas and the pipeline wall and the temperature variation resulting from the pressure drop - known as the JouleThomson effect - are phenomena to be taken into account in the present work. The mathematical modeling encompasses the heat exchange of the phases with the pipe wall and the heat exchange between two unit cells - known as thermal scooping phenomenon. Moreover, a heat generation term is included in the energy balance so as to represent the Joule-Thomson effect. Results for the methane and water flows varying the inlet pressures from 100 to 250 bar will be shown for a 1,5 km-length pipeline. The inlet pressure effects - related mainly to the higher gas density - will be shown considering the hydrodynamics (velocity and pressure) and heat transfer (temperature and heat transfer coefficient) of the slug flow, as well as the geometry of the unit cell (lengths and phase fractions).
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/9311
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