3.2.1 Aferição da instrumentação e do sistema
Após toda a linha experimental estar montada, iniciou-se a montagem dos circuitos para o funcionamento da instrumentação. Também foi feito o algoritmo de controle e aquisição de dados do sistema através da plataforma Labview® 2011 (Figura 3.5). Passando essa fase, os instrumentos foram aferidos e/ou calibrados conforme a necessidade. As curvas de calibração obtidas para a instrumentação e observações referentes à montagem do sistema de aquisição podem ser observadas no Apêndice B.
Figura 3.5 – Interface do sistema de controle e aquisição dos dados experimentais.
Para verificar o funcionamento dos instrumentos e se não havia vazamentos na linha, encheu-se o tanque separador com água e as bombas foram ligadas em rotações baixas, uma de cada vez.
Para assegurar o funcionamento apropriado, levantou-se uma curva de perda de carga para diferentes vazões de água. O intuito é comparar com curvas conhecidas e dados possíveis de comparação na literatura, como a determinação do fator de atrito pela correlação de Colebrook e seguindo para a determinação da pressão pela equação da energia, por exemplo. A análise da perda de carga foi feita pelo sensor de pressão diferencial Validyne de range 2,2 kPa.
O teste foi executado com a linha de óleo fechada, ou seja, somente com a linha de água. Variou-se se a rotação da bomba de 200 em 200 RPM até alcançar o limite de 1160 RPM. Com os dados de pressão diferencial obtidos, levantou-se a curva experimental da perda de
carga em função da vazão. Para os cálculos dos valores teóricos de perda de carga, calculou-se primeiramente o fator de atrito pela correlação de Colebrook, utilizando o valor de rugosidade para aço comercial de 0,046 mm, material do qual é feita a tubulação:
1 𝑓0,5 = −2 ∗ 𝑙𝑜𝑔 ( 𝑒 𝐷 ⁄ 3,7 + 2,51 𝑅𝑒 ∗ 𝑓0,5) (3.1)
Seguiu-se após com o cálculo de perda de carga, através do desenvolvimento da equação do balanço de energia:
(𝑃1 𝜌 + 𝛼1 𝑉12 2 + 𝑔𝑍1) − ( 𝑃2 𝜌 + 𝛼2 𝑉22 2 + 𝑔𝑍2) = ℎ𝑙 𝑇 (3.2) ∆𝑃 𝜌 = ℎ𝑙 𝑇 ∆𝑃 𝜌 = 𝑓 ∗ 𝐿 𝐷∗ 𝑉2 2 (3.3)
Como não há nenhuma máquina que fornece energia ao sistema e a tubulação possui diâmetro constante no trecho, não há variação da energia cinética do fluido podendo ser eliminado o termo de aceleração da equação (3.2). O termo gravitacional acaba sendo eliminado também, devido a coluna do fluido presente nas mangueiras ligadas ao instrumento serem do mesmo tamanho nos dois lados do diafragma. Para melhor entendimento é apresentado e explicado o esquema do sistema de medição do gradiente de pressão (Fig. 3.6):
Figura 3.6 - Esquema de um sensor de pressão diferencial em uma tubulação, sendo o instrumento representado pela esfera amarela.
Levando em conta a coluna de água estática entre os pontos da tubulação P1 e P2, o
ponto P1 possui uma coluna de água maior do que o ponto P2, possuindo maior pressão. Dessa
forma, ao adicionar o instrumento para medição, será tomada a medida dos pontos P1’ e P2’
resultando em:
𝑃1 = 𝑃1′− 𝜌𝑤𝑔ℎ′ (3.4)
𝑃2 = 𝑃2′− 𝜌𝑤𝑔(ℎ + ℎ′) (3.5)
𝑃1− 𝑃2 = 𝑃1′− 𝑃2′+ 𝜌𝑤𝑔ℎ (3.6) Agora, saindo da estática e pensando nos experimentos multifásicos e mais especificamente no padrão core-annular flow, deve-se levar em conta uma coluna de fluido, na tubulação, entre P1 e P2 com massa específica diferente da de água que está presente nas
mangueiras do instrumento de medição de pressão diferencial, assim, a diferença de pressão entre os dois pontos assume a forma de:
𝑃1 − 𝑃2 = 𝜌𝑚𝑔ℎ + ∆𝑃𝑓 (3.7)
onde ΔPf é a perda de pressão por fricção ou atrito e ρm é a massa específica da mistura, definida
por:
𝜌𝑚 = 𝜀𝑜𝜌𝑜+ (1 − 𝜀𝑜)𝜌𝑤 (3.8)
Substituindo (3.8) em (3.7) e após em (3.6), chega-se ao valor lido pelo Validyne: 𝑃1′− 𝑃
2′ = (𝜌𝑜− 𝜌𝑤)𝑔ℎ𝜀𝑜+ ∆𝑃𝑓 (3.9)
A partir da interpretação das equações apresentadas, pode-se chegar a alguns fatos que são importantes durante a execução dos experimentos e obtenção dos dados:
No caso monofásico, as medidas do sensor diferencial não levam em conta o termo gravitacional do gradiente de pressão, ou seja, somente a perda de carga por atrito (já que não há nenhuma perda ou ganho de aceleração do fluido no trecho);
Haverá momentos durante a operação com o core-annular flow em que existirão medidas negativas de pressão. Isso ocorrerá por causa da massa específica do fluido na coluna entre os pontos P1 e P2 (mistura de água-óleo, mistura de água-óleo–ar) ser menor
do que a massa específica do fluido nas mangueiras (somente água) que chegam ao sensor.
O valor do gradiente de pressão por fricção experimental é definido então por: Г𝑓 =∆𝑃𝑓 ℎ = 𝑃1′− 𝑃 2′ ℎ − (𝜌𝑜− 𝜌𝑤)𝑔𝜀𝑜 (3.10)
Voltando à aferição, ao analisar todas as curvas monofásicas, verificaram-se algumas discrepâncias entre o cálculo teórico pela correlação de Colebrook e a equação da energia e os dados experimentais.
Uma inspeção visual foi realizada no trecho de tubulação utilizado para medição do gradiente de pressão e constatou-se que a mesma possuía uma superfície rugosa devido à corrosão. Esta tubulação já foi utilizada em outros experimentos e não possui mais o acabamento superficial de um tubo novo. Sendo assim, a perda de carga prevista pela correlação de Colebrook utilizando uma rugosidade para tubo novo subestimou a perda de carga real medida neste trecho.
Para estimar a rugosidade real da tubulação foi realizado um procedimento de ajuste com a equação de Colebrook e os resultados experimentais coletado com água. Este procedimento consistiu em minimizar o somatório do desvio entre os pontos experimentais coletados e os pontos calculados alterando-se a rugosidade da tubulação. Tal procedimento chegou ao valor de rugosidade de 0,261 mm, equivalente ao ferro fundido e corrobora com a inspeção visual já comentada.
O resultado encontrado acima acarretou em uma boa concordância entre as curvas experimentais com as correções de ruído e a teórica calculada com o fator de atrito de Colebrook, conforme segue na Figura 3.7.
Figura 3.7 - Resultados experimentais e resultados calculados para perda de carga para água.
0 200 400 600 800 1000 1200 - 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 Pr essão d if er en cial [P a] Vazão [m³/h]
ΔP Validyne ΔP Experimental Corrigido ΔP Teórico Colebook
3.2.2 Adição do petróleo cru e de diesel
Terminada a aferição, partiu-se para os experimentos bifásicos e trifásicos. Para a adição do petróleo cru no sistema utilizou-se uma talha localizada no teto do laboratório, afim de levantar as bombonas em um nível acima da entrada da bomba de cavidades progressivas. Assim, por meio de um sistema de válvulas em Y, conectou-se por uma mangueira as bombonas e a entrada da bomba, deixando a válvula que conecta o tanque separador com a bomba fechada. Desse modo acionou-se a bomba de água e logo em seguida, a de óleo, efetuando o transporte do petróleo cru para o tanque.
A diluição do petróleo cru com diesel mostrou-se ser um processo diferente do que o imaginado inicialmente. Para tal, foi imaginado adicionar-se diesel no tanque enquanto o sistema estivesse em funcionamento, com fim de promover a agitação através da bomba de óleo. Porém, o observado foi o contrário: o diesel por ser menos denso que o petróleo e a água, ficava acumulado na parte superior do tanque, não entrando na tubulação que seguia para a bomba. Assim, a diluição do diesel com petróleo teve que ser feita mecanicamente, com um agitador.