Uma alternativa para a obtenção de propriedades como as citadas acima é a utilização de equações de estado. Em virtude da diversidade de equações de estado disponíveis na literatura, as mais relatadas em estudos com o CO2 foram escolhidas a fim de investigar propriedades úteis a diversas aplicações, principalmente ao escoamento. Neste escopo, o principal objetivo desta dissertação é investigar diferentes modelos termodinâmicos em relação à qualidade da descrição de propriedades do CO2 na fase líquida e gasosa, na condição de equilíbrio líquido-vapor e nas condições supercríticas. Para tanto, os objetivos específicos são:
Calcular o volume molar para verificar qual a equação de estado mais adequada para estudo da compressibilidade do CO2 na fase líquida e nas condições subcrítica e supercrítica;
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Calcular a temperatura final de estrangulamento a partir de diferentes equações de estado. Verificar qual a equação mais adequada para estudo do efeito Joule-Thomson;
Calcular a pressão de inversão e obter a curva de inversão a partir de diferentes equações de estado, verificando as mais adequadas;
Calcular a velocidade sônica a partir de diferentes equações de estado a fim de verificar se o comportamento da densidade com a variação da pressão nas condições à jusante da tubulação será favorável ou não ao escoamento em tubos e verificar qual a equação de estado é a mais adequada para estudar esta variável.
Esta dissertação é peculiar no que tange ao estudo de propriedades pertinentes ao escoamento do CO2 em tubulações industriais. Neste caso, existe uma linha tênue entre os fenômenos existentes na mecânica dos fluidos e na termodinâmica. Logo, este trabalho avalia propriedades importantes para a compreensão de fenômenos de escoamento na mecânica dos fluidos, utilizando equações de estado. Para tanto, a validade das equações de estado cúbicas Soave-Redlich-Kwong (SOAVE, 1972) e Peng-Robinson (PENG e ROBINSON, 1976) e multiparamétricas Sterner-Pitzer (STERNER e PITZER, 1994), Bender modificada por Ghazouani (GHAZOUANI et al., 2005) e Huang (HUANG et al., 1985) foram avaliadas utilizando simulação computacional. Para garantir a confiabilidade dos resultados obtidos pelas simulações, os diferentes modelos termodinâmicos foram validados com dados experimentais da literatura em uma ampla faixa de temperatura e pressão. Neste contexto, este trabalho apresenta um caráter teórico-experimental, pois busca se aproximar o máximo possível, através da simulação computacional, dos dados experimentais disponíveis na literatura.
Ao longo do escoamento podem ocorrer variações de área na tubulação, atrito do fluido com a superfície do tubo e transferência de calor que podem proporcionar alterações relevantes na pressão, na temperatura, na velocidade e na massa específica do fluido (FOX e MCDONALD, 2001). Estas variáveis podem ser monitoradas em um escoamento compressível por meio da temperatura final de estrangulamento, da curva de inversão e da velocidade sônica.
O cálculo da temperatura final de estrangulamento é imprescindível, pois um gás sofre expansão após passar por uma restrição, originando uma temperatura final que pode ser maior ou menor do que o valor inicial, dependendo da natureza do gás, do
Leal, D., Dissertação de Mestrado, UFBA, 2012 7 valor da temperatura antes da obstrução, da queda de pressão e da natureza do escoamento. Logo, o cálculo da temperatura final de estrangulamento com a queda de pressão, à entalpia constante, é utilizado para observar se ocorreu o efeito de resfriamento ou aquecimento do fluido na expansão Joule-Thomson. A curva de inversão é utilizada para observar o lugar geométrico em que o fluido sofrerá um efeito de resfriamento ou aquecimento, após passar por uma obstrução numa certa faixa de pressão. A partir da curva de inversão é possível obter uma representação acurada da temperatura máxima de inversão do fluido a uma dada pressão. Portanto, nesta dissertação a temperatura do fluido é avaliada com o objetivo de observar se ocorreu o resfriamento ou o aquecimento do fluido após passar por um dispositivo de estrangulamento. Além disso, a máxima pressão de inversão do fluido e as regiões de aquecimento e de resfriamento serão avaliadas por meio da curva de inversão Joule- Thomson.
O cálculo da velocidade sônica pode ser utilizado para localizar obstruções em linhas de gases e também monitorar a máxima capacidade de escoamento em termos de vazão em uma linha. Muitos autores (HOUNH, 1988; DUNSKUS, 1969; WHITING e ACKERBERG, 1978; ELIZONDO e MADDOX, 1989) utilizaram a velocidade sônica para estudar as vibrações apresentadas durante o escoamento de gases a altas pressões e a altas velocidades em compressores, e também para investigar vazamentos em tubulações industriais. Nesta dissertação a velocidade sônica foi adicionalmente calculada com o objetivo de verificar se a variação da pressão à jusante da tubulação é favorável, ou não, ao escoamento utilizando diferentes equações de estado. Para tanto, comparou-se duas abordagens de cálculo relatadas na literatura para esta variável, a fim de testar a consistência matemática das mesmas. Por outro lado, testou-se a qualidade da descrição de diferentes equações de estado em relação ao cálculo da velocidade sônica.
Portanto, em processos de escoamento, o cálculo destas variáveis (volume molar, densidade, temperatura de saída de estrangulamento, pressão de inversão e velocidade sônica) é imprescindível para avaliar o comportamento do fluido com a queda de pressão que ocorre durante a expansão do gás após passar por um dispositivo de estrangulamento, como uma válvula parcialmente aberta, ou ao longo do escoamento em tubos.
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