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Título: Avaliação do desempenho de uma bomba centrífuga operando com fluidos supercríticos
Título(s) alternativo(s): Performance evaluation of a centrifugal pump operating with supercritical fluids
Autor(es): Cubas, Jhoan Miguel Cubas
Orientador(es): Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazar
Palavras-chave: Fluidos supercríticos
Bombas centrífugas
Desempenho
Fluidodinâmica computacional
Vasos de pressão
Simulação (Computadores)
Análise numérica
Metodologia
Supercritical fluids
Centrifugal pumps
Performance
Computational fluid dynamics
Pressure vessels
Computer simulation
Numerical analysis
Methodology
Data do documento: 20-Dez-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: CUBAS, Jhoan Miguel Cubas. Avaliação do desempenho de uma bomba centrífuga operando com fluidos supercríticos. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: Apesar do transporte e reinjeção de CO2 supercrítico não serem temas novos, os estudos na literatura aberta sobre bombas centrífugas operando com fluidos supercrítico são raros, com informações limitadas e que, principalmente, não oferecem metodologias para avaliar o desempenho dessas bombas. Nesse contexto, este trabalho apresenta um estudo numérico e experimental para avaliar o desempenho de uma bomba centrífuga de nove estágios operando com fluidos supercríticos. Propõe-se uma metodologia para estimar os principais parâmetros de desempenho e a temperatura no bombeamento desses fluidos, usando informações de desempenho para água como ponto de partida. Como parte da metodologia proposta, foi desenvolvido um modelo algébrico para calcular o ganho de temperatura do fluido. A modelagem numérica é baseada na metodologia implementada no programa de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) ANSYS® CFX®. A variação das propriedades termo-físicas do fluido nas simulações numéricas foi calculada por meio de interpolações sobre uma tabela termodinâmica obtida a partir do programa REFPROP® e acoplada ao modelo numérico. Para o estudo experimental, foram utilizas duas bancadas que permitiram coletar dados de torque, velocidade de rotação, aumento de pressão e temperatura da bomba teste operando com água e com CO2 supercrítico. Este estudo forneceu uma importante fonte de dados experimentais para a validação dos resultados do modelo numérico e da metodologia proposta. Os resultados numéricos se mostraram coerentes com os resultados experimentais. Com o modelo numérico validado, foram explorados outros cenários de fluidos supercríticos e condições operacionais difíceis de serem avaliados experimentalmente. A análise de resultados numéricos e experimentais evidenciou que as leis de afinidade para líquidos podem ser estendidas para fluidos supercríticos. Os resultados também demostraram que a metodologia proposta estima adequadamente a potência, o aumento de pressão e o aumento de temperatura de bombas centrífugas operando com fluidos supercríticos. Por fim, do ponto de vista de desempenho, confirmou-se que bombas centrífugas são capazes de bombear fluidos supercríticos de forma satisfatória. Entretanto, ao contrário do bombeamento de líquidos, o bombeamento de fluidos supercrítico produz aumentos consideráveis de temperaturas, que devem ser levados em conta. Espera-se que as abordagens consideradas e os resultados discutidos neste estudo contribuam para a escassa literatura sobre o assunto.
Abstract: Although the transportation and reinjection of supercritical CO2 are not new topics, studies in the open literature on centrifugal pumps operating with supercritical fluids are rare, with limited information and, above all, do not offer methodologies to evaluate the performance of these pumps. In this context, this work presents a numerical and experimental study to evaluate the performance of a nine-stage centrifugal pump operating with supercritical fluids. A methodology is proposed to estimating the main performance parameters and the temperature when pumping these fluids, using performance information for water as a starting point. As a part of the proposed methodology, an algebraic model was developed to calculate the fluid’s temperature gain. The numerical modeling is based on the methodology implemented in the computational fluid dynamics (CFD) program ANSYS® CFX®. The variation in the thermo-physical properties of the fluid in the numerical simulations was calculated using interpolations on a thermodynamic table obtained from the REFPROP® program and coupled to the numerical model. For the experimental study, two experimental lop were used to collect torque, rotation speed, pressure rise and temperature data from the test pump operating with water and supercritical CO2. This study provided an important source of experimental data for validating the results of the numerical model and the proposed methodology. The numerical results proved to be consistent with the experimental results. With the numerical model validated, other supercritical fluid scenarios that were difficult to evaluate experimentally were explored. The analysis of numerical and experimental results showed that the affinity laws for liquids can be extended to supercritical fluids. The results also showed that the proposed methodology adequately estimates the power, pressure and temperature increase of centrifugal pumps operating with supercritical fluids. Finally, from a performance point of view, it was confirmed that centrifugal pumps are capable of pumping supercritical fluids satisfactorily. However, unlike pumping liquids, pumping supercritical fluids produces considerable temperature increases, which must be taken into account. It is expected that the approaches considered and the results discussed in this study will contribute to the scarce literature on the subject.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36013
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