Nesta seção são apresentados em detalhes trabalhos sobre BCSs operando com misturas gás-líquido, com foco em trabalhos com geometria similar aos utilizados neste trabalho e mais recentes. Uma grande revisão da literatura sobre o tema pode ser encontrada em Monte Verde (2016).
Lea e Bearden (1982) foram os primeiros a estudarem a respeito de bombas centrífugas operando com escoamento bifásico gás-líquido aplicado à indústria do petróleo. Os autores investigaram o impacto do gás livre no desempenho de uma bomba centrífuga submersa sob diferentes condições, utilizando ar e água e diesel e CO2 como fluidos de trabalho. Três modelos de BCSs foram testados: bombas radiais Centrilift I-42B e C-72 e a bomba de fluxo misto K-70 com a mistura Diesel e CO2, e o modelo I-42B foi testado também com a mistura água-ar.
No caso dos testes realizados com a mistura água-ar, usou-se uma montagem experimental (Figura 2.7) na qual a BCS foi instalada submersa dentro de um tubo de acrílico com o intuito de simular a geometria anular onde fluido escoa até a sucção da bomba.
Nos testes com a mistura água-ar usou-se pressão de sucção variando entre 25 e 30 psig (172,4 e 206,8 kPa) e frações homogêneas de gás entre 0 e 17%. Nos testes com Diesel e CO2 utilizou-se a mesma montagem experimental acrescida de um circuito fechado para o Diesel e para o CO2, sendo utilizada uma pressão de sucção máxima de 400 psig (2758 kPa) e fração homogênea máxima de gás de 50%.
Figura 2.7 – Aparato experimental do trabalho de Lea e Bearden (1982).
A partir dos resultados experimentais obtidos, os autores chegaram às seguintes conclusões:
Para uma fração de gás constante, a degradação do desempenho diminui com o aumento da pressão de sucção, sendo que, quando a fração de gás alcança um valor crítico, o escoamento se torna instável. Tal condição operacional é denominada pelos autores de Surging;
O desempenho de uma bomba é em função tanto da fração de gás livre quanto da pressão a montante;
O rotor de fluxo misto é mais tolerante à presença de gás do que os rotores radiais;
Nos estudos feitos por Turpin et al. (1986), foram utilizados os resultados experimentais obtidos por Lea e Bearden (1982) e, com isso, propuseram uma correlação empírica para modelar o desempenho das BCSs que foram testadas. Tal correlação determina que o desempenho bifásico da bomba é função da pressão de sucção, da vazão de líquido e da razão entre a vazão de gás e a vazão de líquido.
Dessa maneira, os autores propuseram o parâmetro 𝜙, onde 𝜙 < 1 indica operação estável da bomba e o modelo pode ser aplicado. No entanto, para 𝜙 > 1 ocorre o surging. Portanto, a condição operacional de surging pode ser calculada igualando esse fator a unidade.
Tal fato mostra, no estudo da bomba, quando a quantidade de gás se torna um problema para o projeto. Assim, nessa correlação, a região de desempenho aceitável da bomba coincide com a região de aplicação da correlação. O parâmetro 𝜙 é calculado por:
𝜙 = 2000 (𝑞𝐺/𝑞𝐿
3𝑃 ) (2.19)
Viloria (1999) realizou um trabalho experimental com o objetivo de quantificar a eficiência de separação natural do gás em função de alguns parâmetros, sendo eles o ângulo de inclinação do poço, pressão de entrada da bomba e vazões de gás e líquido. Para isso, desenvolveu-se um aparato experimental, apresentado na Figura 2.8, o qual consistia em uma seção de testes com uma tubulação de comprimento (𝐿𝑇) 9,8 m, tubo interno de diâmetro (𝐷𝑖) 127 mm, juntamente com uma BCS (REDA DN1750). Dessa maneira, os escoamentos água-ar foram avaliados na posição vertical e inclinado 60º e 30º em relação a horizontal, além de frações de gás de até 20%. Os dados experimentais obtidos indicaram que a eficiência da separação natural do gás aumenta à medida que a vazão do líquido, a vazão de gás e o ângulo de inclinação diminuem. Desenvolveu um modelo simplificado que busca prever a eficiência da separação natural para toda a gama de dados experimentais. Buscou desenvolver uma correlação empírica para a fração de vazios na região do intake, considerada diferente da fração de vazio do escoamento no duto anular.
Estevam (2002) realizou um trabalho experimental com bombas centrífugas operando com escoamento bifásico gás-líquido, o qual tinha como objetivo inicial verificar qual era o fenômeno físico associado ao surging, buscando, posteriormente, desenvolver um modelo para determinar ganhos de pressão. Para a realização desse trabalho, elaborou-se um protótipo de bomba com rotor e difusor transparente, equivalente a uma bomba tipo Reda DN-280, com o objetivo de visualizar e analisar qualitativamente o escoamento no interior do rotor usando uma câmera de alta velocidade, além de bomba centrífuga convencional, com dois estágios com rotor de tipo radial, para levantar as curvas de desempenho operando com uma mistura bifásica de água e ar.
Com as visualizações no interior do protótipo de rotor, dois tipos de padrão de distribuição do gás foram observados. O primeiro padrão se caracterizou pela presença de bolhas dispersas em todo o canal e o segundo padrão observado pelo autor se caracterizou pela presença de uma bolha alongada estacionária, seguida de bolhas dispersas na região da entrada do canal. A partir disso, o autor propôs um mapa de desempenho que é função da fração volumétrica de gás homogênea e do adimensional chamado Indicador de Surging (𝐼𝑠𝑠), o qual é definido pela equação (2.15):
𝐼𝑠𝑠 = 𝐶𝐷( 𝑟̅ 𝑑𝑏
) 𝐹𝑟𝜔 (2.20)
onde 𝐶𝐷 é o coeficiente de arrasto, 𝑟̅ é o raio médio do rotor, 𝑑𝑏 é o diâmetro de bolha e 𝐹𝑟𝜔 é o número de Froude centrífugo.
Por meio dessa modelagem, pode-se realizar o mapeamento operacional da bomba centrífuga quando em escoamento bifásico. Além disso, pode-se explicar também a redução do desempenho da bomba, o surging e o bloqueio de gás e obter as curvas características da bomba na presença de gás livre no seu interior.
Monte Verde (2011) realizou seu trabalho experimental buscando obter as curvas de desempenho de uma BCS operando com misturas gás-líquido. O aparato experimental desenvolvido foi a partir de uma BCS (GN 7000) três estágios convencional, permitindo a visualização do escoamento no interior da bomba. Desse modo, as curvas característica do protótipo de BCS foram determinadas utilizando misturas água-ar, com frações volumétricas de gás entre 0 e 10% em diferentes rotações, pressões de sucção e vazões de líquido. Além disso, foi instalado um manuseador de gás (AGH - Advanced Gas Handler), buscando determinar suas características operacionais.
Uma severa degradação no desempenho e, consequentemente, no rendimento da bomba foram observados devido à presença de gás no escoamento, sendo que os fenômenos de
surging e gas locking também foram observados durante os testes. Ainda, verificou-se que tanto
o aumento da rotação como da pressão de entrada atuam de maneira semelhante, aumentando a capacidade da bomba de manuseio ao gás.
Biazussi (2014) estudou experimentalmente o desempenho de BCSs operando com escoamento bifásico gás-líquido, sendo utilizada uma mistura água-ar. O objetivo desse trabalho era desenvolver e avaliar o desempenho de um modelo de deslizamento para representar o ganho de pressão em uma ampla faixa de vazão de líquido de uma BCS. No estudo em questão, utilizaram-se três modelos de BCS para o teste, sendo elas: P23, P47 e P100 da série 538, todas com três estágios. Os testes realizados foram feitos com rotação variando entre 1800 e 3500 rpm, pressão de sucção de 100 a 500 kPa, além de procedimentos experimentais a vazão e a fração de gás constantes buscando o ponto de melhor eficiência (BEP) e 20% acima e abaixo do mesmo.
Os dados obtidos permitiram associar os fenômenos envolvidos na degradação do desempenho da bomba em função da fração de gás, pressão na admissão, rotação, propriedades dos fluidos e geometria da bomba. Dessa maneira, propôs-se um modelo simples unidimensional para representar o ganho de pressão e potência de uma bomba centrífuga submersa quando sujeita a um escoamento bifásico. O modelo foi baseado no modelo de deslizamento e apresentou uma boa concordância com os resultados experimentais.
Monte Verde (2016) buscou, através de seu estudo, um avanço no entendimento dos fatores que afetam o desempenho de BCS. Duas montagens experimentais, sendo a primeira o desenvolvimento de uma bomba protótipo baseado em um estágio da BCS modelo P23, projetada para permitir a visualização do escoamento no interior dos canais do rotor, com o intuito de identificar os padrões de escoamento gás-líquido nos canais e relacioná-los com o desempenho da bomba. Nestas condições foi possível a análise de instabilidade operacional devido ao padrão de escoamento Gas Pocket Flow definida como Surging (Figura 2.9). Além de uma condição operacional é descrita em aplicações práticas como Gas Locking (Figura 2.10).
Figura 2.9 – Padrão de escoamento Gas Pocket Flow – Surging (Monte Verde, 2016)
A segunda montagem experimental foi desenvolvida com a finalidade de permitir a avaliação do desempenho de BCSs convencionais, operando com escoamento viscoso tanto monofásico quanto bifásico. Uma bancada com um skid de testes inclinável com uma bomba (GN 5200) foi construída, sendo realizados escoamentos viscosos monofásicos e bifásicos gás- líquido, utilizando como mistura água-ar ou fluido viscoso (glicerina) para os testes. Nessa parte do trabalho, buscou-se investigar os efeitos da rotação, pressão de sucção, vazão de líquido, viscosidade e inclinação da instalação na operação da bomba. O autor apresentou seus dados de desempenho monofásico viscoso da bomba comparando esses dados com os principais métodos de correção disponíveis na literatura, propondo uma metodologia de correção específica para o modelo de BCS testado.
Mansour (2018) realizou um estudo experimental utilizando bombas centrífugas submersas com rotores fechados e semiabertos com escoamentos bifásicos água-ar. Sendo esses rotores geometricamente similares, ambos feitos de acrílico, buscou-se uma comparação entre eles ao aumentar a vazão de ar. Todo o sistema foi feito de acrílico transparente para permitir uma visualização do escoamento com alta qualidade. Um banco de dados experimental sistemático foi produzido com base em imagens, de modo que os padrões de escoamento bifásicos resultantes pudessem ser adequadamente identificados. Os resultados mostraram que, para frações de gás entre 1 e 3%, a deterioração dos parâmetros de desempenho da bomba é muito menor no rotor semiaberto comparado ao do rotor fechado. No entanto, na faixa de fração de volume de gás entre 4 e 6%, a tendência é inversa; o desempenho do rotor semiaberto é reduzido em comparação com o rotor fechado, particularmente em condições de sobrecarga. Em frações de gás ainda mais altas, o rotor semiaberto mostra novamente um desempenho superior. Além disso, analisou-se que a instabilidades de fluxo e bombeamento foram muito maiores no rotor fechado. A principal razão para isso foi a ocorrência de bolsões de gás alternados nas pás do rotor fechado.
Figura 2.11 – Detalhes geométricos dos rotores (Mansour, 2018)
Zhu (2018) realizou uma revisão da literatura sobre o tema de BCSs operando com escoamentos gás-líquido. No trabalho buscou apresentar uma revisão abrangente sobre os principais fatores que afetam o desempenho do BCS. Os modelos empíricos e mecanicistas para prever o incremento de pressão de BCS são discutidos. Em suas conclusões, o autor apresentou propostas de melhorias a serem feitas em trabalhos futuros sobre BCSs.
Nos trabalhos experimentais, Zhu, mostra a dificuldade em visualizar experimentalmente as estruturas internas da BCS, pois este tipo de visualização restringe a avaliação do padrão de escoamento, além de resultar uma maior dificuldade para a caracterização do desempenho das bombas pois a medição da fase gasosa in situ ainda não se mostrou possível. Já para os trabalhos focados em modelos mecanicistas, Zhu, recomenda que novos trabalhos devem ser concentrados mais na física do escoamento bifásico em BCSs, pois assim resultará em melhores relações de fechamento. Para novos trabalhos utilizando técnicas de dinâmica de fluidos computacionais (CFD) melhorias desenvolvidas para capturar os comportamentos complexos e o movimento das bolhas de gás dentro dos BCSs e entender melhor as interações entre as fases gasosa e líquida em diferentes padrões de escoamento.
Dupoiron (2018) realizou um trabalho experimental de escoamento bifásico gás- líquido em uma BCS transparente de quatro estágios com fluxo misto. As análises foram feitas com a técnica Laser Doppler velocimetry (LDV), e a captura de imagens com uma câmera de alta velocidade. A fração de gás na entrada da bomba variou de 0 a 30%, além da variação da
inclinação da bancada de 0° até 90°. O trabalho apresentou medições que demonstram a presença de altos níveis de turbulência nos canais do rotor. Já na condição gás-líquido, o tamanho das bolhas variou dentro de um estágio, uma vez que a quebra ocorreu na saída do rotor.
A análise dos quatros estágios foi importante pois possibilitou compreender as condições dinâmicas do escoamento em todo o sistema. Por exemplo, para as frações de gás moderadas a altas (10 % a 30%), o primeiro rotor agia como um misturador, os padrões de escoamento neste estágio alternavam-se entre bolhas e pequenas golfadas de gás que se propagavam através dos demais estágios. Também se analisou que os padrões de escoamento no primeiro estágio não dependiam da inclinação da bomba, mas sim das condições de entrada. Um desempenho pior foi observado com padrão golfadas na configuração horizontal.
Perissinotto (2019) desenvolveu um trabalho experimental onde buscou investigar o comportamento de gotas de óleo, dispersos em um escoamento bifásico óleo-água dentro de um rotor de uma bomba centrífuga, a fim de investigar o comportamento e a influência dessas gotas de óleo no funcionamento da bomba. Os experimentos foram realizados em diferentes velocidades de rotação da bomba e vazões de água. Nesse estudo foi utilizado o protótipo de visualização desenvolvido por Monte Verde (2016), o que permitiu visualizar o fluxo em todos os canais do rotor e obtenção imagens com uma câmera de alta velocidade. As imagens mostraram um único padrão de escoamento, gotas de óleo dispersas em água. As gotas de óleo eram, em geral, esféricas ou elípticas, e apenas algumas quebravam no rotor. Os resultados obtidos neste trabalham mostraram que a interação com a água fez com que as gotas de óleo girassem, se deformassem e se desviassem, movendo-se em caminhos aleatórios. As distribuições de tamanho sugeriram que as gotas ficaram menores com aumento da vazão de água e rotação, observando uma clara dependência entre condições de escoamento e dinâmica de quebra. Mostrou-se que a dinâmica das gotas foi significativamente influenciada pela presença de gradientes de pressão adversos e os campos de velocidade da água.
Tabela 2.2 – Resumo estudos ligados a BCSs Operando com Escoamento Bifásico
Autores Dados Gerados Fluidos Utilizados BCS Modelos Objetivo do estudo
Lea e Bearden (1982)
Desempenho de BCS operando com frações de gás
variadas (0 e 50%)
Ar/ água, Diesel/CO2
Bombas radiais Centrilift (I- 42B e C-72) / Bomba de fluxo
misto (K-70)
O impacto do gás livre no desempenho de uma bomba
centrífuga submersa. Turpin et al. (1986) Parâmetro Ø Ar/ água,
Diesel/CO2
Bombas radiais Centrilift (I- 42B e C-72) / Bomba de fluxo
misto (K-70)
Correlação empírica para modelar o desempenho das BCSs.
Viloria (1999)
Um modelo simplificado para prever a eficiência da separação natural do gás
Água/ar REDA DN1750 Quantificar a eficiência de separação natural do gás.
Estevam (2002) Indicador de Surging Água/ar Reda DN-280
Fenômeno físico associado ao surging e um modelo para determinar ganhos
de pressão.
Monte Verde (2011)
Uma severa degradação no desempenho, e rendimento da
bomba foram observados devido á presença de gás
Água/ar GN 7000 três estágios Curvas de desempenho de uma BCS operando com misturas gás-líquido.
Biazussi (2014) Modelo simples unidimensional para representar a pressão e potência de uma BCS em um escoamento bifásico Água/ar P23, P47 e P100 da série 538 com três estágios
Desenvolver e avaliar um modelo de deslizamento.
Monte Verde (2016)
Completar os efeitos viscosos dos modelos de desempenho
existentes na literatura
Água/ar
Glicerina/Ar P23 e GN 5200
Modelagem do desempenho de bombas de BCS operando com misturas gás-fluido viscoso.
Autores Dados Gerados Fluidos Utilizados BCS Modelos Objetivo do estudo
Mansour (2018)
O desempenho de uma bomba centrífuga radial com rotor
fechado
ou um rotor semiaberto.
Água/ar Apenas rotores foram criados, nenhuma BCS catalogada.
Analisar experimentalmente e comparar desempenho de uma bomba
centrífuga radial com rotor fechado ou um rotor semiaberto.
Zhu (2018)
Revisão dos estudos, em que gerou algumas ideias futuras
de melhoria para novos trabalhos com BCS
x Vários trabalhos e vários modelos de BCS.
Análise completa dos trabalhos sobre os principais fatores que afetam o desempenho do BCS em condições de
escoamento bifásicos gás-líquido.
Dupoiron (2018)
Influência do gás nos vários estágios além de padrões de
escoamento no sistema
Óleo-água- Nitrogênio
BCS de acrílico construída com 4 estágios mistos.
Analisar a influência do gás nos demais estágios de uma BCS.
Perissinotto (2019)
Influência e comportamento das bolhas de óleo em um escoamento bifásico óleo-
água
Óleo-água P23 Centrilif 538
Comportamento de gotas de óleo, dispersos em um escoamento bifásico
óleo-água dentro de um rotor de uma bomba centrífuga.
Em suma, baseado nos estudos apresentados nesta revisão bibliográfica sobre desempenho de BCSs operando com escoamento bifásico gás-líquido, pode-se levantar algumas lacunas a serem preenchidas:
A maioria dos estudos feitos com BCS são elaborados em aparatos experimentais em que o escoamento entra na BCS através de um sistema flange-flange, no qual os fluidos entram direto na bomba, sem o uso de um
Intake na sucção, o que não ocorre na produção real de campo. Como isso,
um estudo em que se considera o duto anular e a BCS realmente submersa no fluido, torna-se de grande interesse para se analisar como o escoamento ocorre no anular e quais são seus efeitos no desempenho do sistema BCS. Outro fator importante, como foi analisado na motivação deste trabalho, é a utilização do novo sistema S-BCSS, sendo que, nessa nova configuração, a bomba opera em uma inclinação próxima da horizontal. Poucos trabalhos foram elaborados utilizando esse tipo de configuração e, como foi analisado nesta revisão, nenhum deles trabalhou com as configurações semelhantes, reforçando, assim, a necessidade de estudos mais aplicados a respeito do S-
BCSS.