[en] EXPERIMENTAL STUDY OF PIPELINE FLOW OF HEAVY OIL WITH TEMPERATURE-DEPENDENT VISCOSITY - GUILHERME MOREIRA BESSA (MAXWELL, 2015)
[pt] O presente trabalho é um estudo experimental sobre o escoamento laminar de óleos pesados através de dutos longos isolados termicamente e que apresentam forte dependência da viscosidade com a temperatura. O objetivo do estudo é identificar e interpretar o comportamento verificado em operações de campo onde a dependência da queda de pressão ao longo do duto com a vazão afasta-se significativamente da relação linear esperada para escoamentos hidrodinamicamente desenvolvidos. Para o estudo foi montado um experimento em escala de laboratório utilizando como fluido de trabalho uma solução de glicerina e água, que apresenta forte dependência da viscosidade com a temperatura. A solução quente de glicerina era bombeada por um tubo longo imerso em um meio refrigerado. A troca de calor do fluido com o ambiente frio produzia gradientes de temperatura radiais e axiais associados a fortes variações da viscosidade. Os experimentos conduzidos revelaram uma relação linear entre a vazão e a queda de pressão ao longo do duto para baixos e altos valores da vazão. No entanto, para valores intermediários da vazão, a relação entre vazão e queda de pressão afasta-se do comportamento linear, deixando de apresentar uma relação monotônica. Nesta região intermediária, os mesmos valores de queda de pressão foram observados para vazões de ordem de grandeza diferentes. Medidas de perfis radiais de temperatura e velocidade axial foram realizadas para duas diferentes posições axiais no duto. Sondas de termopar e a técnica de velocimetria laser- Doppler foram utilizadas neste estudo. Os perfis de temperatura apresentaram forte assimetria como decorrência da presença de escoamentos secundários originados por convecção natural. Os perfis de velocidade axial foram pouco afetados pelos escoamentos secundários. Acredita-se que o impacto observado na tensão cisalhante na parede e, portanto, na queda de pressão, esteja associado à forte variação da viscosidade junto à parede fria, e não às variações do gradiente de velocidade na parede que não se mostraram significativas. Os resultados experimentais foram comparados com simulações numéricas tridimensionais e unidimensionais fornecidas por outros pesquisadores. A relação de queda de pressão com a vazão foi bem modelada por ambos os modelos. Os perfis radiais de velocidade foram bem previstos pelo modelo tridimensional, ao contrário dos perfis radiais de temperatura que se afastaram das medições. === [en] The present work is an experimental study of laminar flows through long, thermally insulated pipes of heavy oils that present strong dependence of viscosity on temperature. The objective of the study was to reproduce and understand the behavior reported in field operations where the dependence of the pressure drop on the flow rate deviates significantly from the linear relationship expected for hydrodynamically fully developed flow. To this end, a laboratory-scale experiment was constructed employing as working fluid a glycerol-water solution displaying a strong dependence of viscosity on temperature. In the experiments, the heated glycerol solution was pumped through a long isolated pipe immersed in a cold environment. The heat exchange with the cold environment produced radial and axial thermal gradients in the fluid yielding strong viscosity variations. For the low and high ranges of the flow rate the experiments revealed a linear relationship between flow rate and pressure drop from the inlet to the exit of the test section. However, for intermediate values of the flow rate, the relationship between flow rate and pressure drop deviated from the linear behavior. Further, this relationship ceased to be monotonic. In this intermediate flow rate region, the same pressure drop values were measured for flow rates values differing in orders of magnitude. Radial profiles of temperature and axial velocity were measured at different axial positions along the pipe. Thermocouple probes and the laser- Doppler velocimetry technique were employed in this study. Temperature profiles displayed strong asymmetry as a consequence of the presence of secondary flows induced by natural convection. The axial velocity profiles were little affected by the secondary flows. It is believed that the impact observed on the wall shear stress and, as a consequence, on the pressure drop, are associated with the strong viscosity variations close to the cold pipe wall, and not with the variations of the velocity gradient at the wall that were seen to be not too significant. The experimental results obtained were compared with one and tri-dimensional numerical solutions developed by other researchers. The relationship between pressure drop and flow rate was well predicted by both numerical models. The radial velocity profiles were well predicted by the tri-dimensional calculations, while the temperature profiles predictions were seen to deviate from the experiments.