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Título: Análise numérica da dissipação de calor do motor elétrico do sistema BCSS em skid
Autor(es): Martins, Jonathan Ribeiro
Orientador: Romero, Oldrich Joel
Coorientador: Pereira, Fábio de Assis Ressel
Data do documento: 8-Mar-2018
Citação: MARTINS, Jonathan Ribeiro. Análise numérica da dissipação de calor do motor elétrico do sistema BCSS em skid. 2018. 144 f. Dissertação (Mestrado em Energia) - Programa de Pós-Graduação em Energia, Universidade Federal do Espírito Santo, Centro Universitário Norte do Espírito Santo, São Mateus, 2018.
Resumo: O desenvolvimento recente do S-BCSS (Bombeio Centrífugo Submerso Submarino em Skid), assentado no leito marinho, é uma alternativa ao sistema convencional, facilitando intervenções em caso de falha. A bomba é acionada por um motor elétrico cujo resfriamento deve ser eficiente para garantir a continuidade do seu funcionamento. A retirada de calor do motor é efetuada pelo fluido produzido. O intuito desta dissertação é compreender o processo de resfriamento do motor elétrico para o escoamento monofásico, turbulento com transferência de calor por convecção em uma geometria anular, que representa o espaço formado entre a cápsula e o motor do sistema S-BCSS. Com este objetivo é utilizado a dinâmica de fluidos computacional (CFD Computational Fluid Dynamics) para resolver esse escoamento, o modelo de turbulência utilizado é o kappa-epsilon padrão com função de parede melhorada (Enhanced Wall Treatment). São consideradas quatro vazões de operação do sistema, três fluidos com diferentes números de Prandtl, três configurações de geometrias anulares diferentes, uma concêntrica e duas excêntricas, juntamente com a condição de temperatura na superfície do motor constante. As simulações são validadas através da comparação do número de Nusselt na região desenvolvida com a correlação de Gnielinski. Observa-se que a simulação desse escoamento possui dependência geométrica, sendo necessário a utilização de uma geometria 3D. Se a condição de fluxo de calor constante fosse utilizada, a temperatura do motor apresentaria menores intensidades no início e maiores no final da geometria. Portanto, quanto maior o número de Nusselt, maior é a transferência de calor, assim intensificando o resfriamento do motor elétrico. Na geometria excêntrica é observada uma transferência de quantidade de movimento da região anular inferior para a superior, fazendo com que o número de Nusselt apresente uma variação angular. Em geometrias excêntricas o escoamento se desenvolve em maiores comprimentos, observando que quanto maior a excentricidade, maior é este comprimento. Por fim, destaca-se que para o sistema S-BCSS a utilização de uma geometria excêntrica não é adequada. Palavras chave: S-BCSS, resfriamento do motor, excentricidade anular, número de Nusselt, CFD.
The recent development of ESP in the Skid, installed in the seabed downstream of the wellhead in a marine oil production system, is an alternative to the conventional system with the set installed at the bottom of the producing well, facilitating interventions in case of failure. The pump is driven by an electric motor whose cooling must be efficient to ensure the continuity of its operation. The heat withdrawal is performed by the fluid produced. The purpose of this dissertation is to understand the process of electric motor cooling to the single-phase and turbulent flow with convection heat transfer in an annular geometry, which represents the space formed between a capsule and the ESP in the Skid system motor. With this objective is used the Computational Fluid Dynamics (CFD) to solve this single-phase flow, using the kappa-epsilon standard with improved wall function (Enhanced Wall Treatment). Four flow rates are considered, three fluids with different Prandtl numbers, three configurations of different annular geometries, one concentric and two eccentric, together with the condition of the constant temperature on the motor surface. The simulations are validated by comparing the Nusselt number in the developed region with the Gnielinski correlation. It is observed that the simulation of this problem has geometric dependence, being necessary the use of a 3D geometry to correctly represent the phenomenon. If the constant heat flux condition were used, the motor temperature would have lower intensities at the beginning and larger at the end of the geometry. Therefore, the higher the Nusselt number, the greater the heat transfer, thus intensifying the cooling of the electric motor. In the eccentric geometry a momentum transfer from the lower to the upper annular region is observed, causing the Nusselt number present an angular variation. In eccentric geometries the flow develops in greater lengths, observing that the greater the eccentricity, the greater this length. Finally, for the ESP in the Skid system the use of an eccentric geometry is not adequate
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/8453
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