Comparação das técnicas de medição

Os perfis de velocidade obtidos via técnica PIV para diferentes vazões de gás são mostrados na Figura 5.1. Valores de velocidade em linhas horizontais coincidentes com o diâmetro da perna traçadas a 15mm, 30mm e 45mm acima da saída da perna de descida (Figura 5.2). Nota-se que os valores de velocidade não variam consideravelmente à medida que a linha de medição se afasta da saída da perna de descida (de 15mm para 45mm). Deve-se destacar também que para a vazão de 110L/min a distribuição de velocidades é completamente assimétrica, devido à presença de grande quantidade de bolhas arrastadas pelo fluxo e que interferem consideravelmente na captura e tratamento das imagens - as bolhas refletem a luz do laser, sendo identificadas pelo software de determinação de velocidade como partículas, e como

98 velocidade das bolhas é diferente das partículas utilizadas pela técnica PIV, o perfil de velocidades calculado pelo programa fica comprometido. Assim, consideraram-se apenas os valores de velocidade do líquido para vazões de gás menores ou igual a 90L/min. A partir destes valores, calculou-se a velocidade média do líquido no interior da perna e então determinou-se a vazão de água na perna de descida (taxa de circulação).

Figura 5.1 – Perfil de velocidades na perna de descida obtido via técnica PIV utilizando água para imersão da perna igual a 6cm e vazão de gás: (a) 70L/min; (b) 110L/min; (c) 90L/min; e

(d) 110L/min.

Os valores de taxa de circulação para a caixa (vaso inferior em formato retangular), utilizando água como fluido de circulação, obtidos pelas três técnicas foram comparados para fins de calibração/validação do método da ponte de strain gages (Figuras 5.3b). Esta calibração adicional se faz necessária porque o fluxo na perna de descida se mostra extremamente turbulento, o que dificulta a aplicação da condição de fluxo unidirecional e simétrico ao redor do corpo esférico, conforme descrito no desenvolvimento da técnica, tópico 4.1.2. Destaca-se que os valores obtidos pelo MPSG e da condutivimetria foram muito próximos, e estes são consideravelmente superiores (~ 2 vezes) aos obtidos por velocimetria PIV. Nota-se ainda grande queda nos valores calculados a partir da técnica PIV para vazões superiores à 90L/min. Quando a vazão de gás aumenta, uma maior fração do mesmo é arrastada através da perna de descida (vide Figura 5.4), dificultando as medições via PIV, visto que as bolhas de gás refletem a luz do laser e são interpretados pelo software para cálculo da velocidade do líquido, e as bolhas possuem velocidade muito inferior ao líquido.

99 Figura 5.2 – Distribuição de velocidade ao longo de uma linha horizontal coincidente com o

diâmetro da perna de descida para vazão de gás: (a) 70L/min; (b) 110L/min; (c) 90L/min; e (d) 110L/min.

Sobre resultados do PIV, recentemente Luo et al. (2018) calcularam a taxa de circulação a partir do valor médio de velocidade medido pela técnica PIV, porém ressalta-se que as vazões de gás (20-25L/min) adotadas são consideravelmente baixas visto que as dimensões do seu modelo físico são superiores às dimensões do modelo do presente trabalho. Menores valores de vazão de gás reduzem o problema de presença de bolhas na perna de descida. Como pode ser observado na Figura 5.3(b), para a vazão de 30L/min, a taxa de circulação obtido pela técnica PIV estava próximo dos valores determinados pelas outras duas técnicas. Porém, para vazões superiores, a presença de quantidade excessiva de bolhas na perna de descida interferiu nos valores de velocidade medidos pela técnica PIV, e assim, os valores de taxa de circulação medidos por esta técnica foram consideravelmente inferiores aos resultados obtidos pela técnica da condutivimetria, usualmente empregada para este fim.

100 Figura 5.3 – Taxa de circulação para o vaso inferior de formato retangular, utilizando água como fluido de circulação: (a) influência da profundidade de imersão das pernas via MPSG;

(b) comparação entre as técnicas de medição: Cond. – condutivimetria; MPSG - método da ponte de strain gages e pela técnica PIV, profundidade de imersão de 60mm.

Figura 5.4 – Presença de bolhas na perna de descida em imagens obtidas via técnica PIV. Vazão de gás: (a) 70L/min; (b) 110L/min; (c) 90L/min; e (d) 110L/min.

101 A Figura 5.5 apresenta valores de taxa de circulação utilizando o vaso inferior em formato cilíndrico. Como o método da condutivimetria é usualmente empregado para avaliar taxa de circulação em modelo físico de reator RH, a proximidade entre resultados apresentados nas Figuras 5.3(b) e 5.5(a) valida o método da ponte de strain gages (MPSG) e permite utilizar o MPSG para determinação da taxa de circulação utilizando-se solução salina como fluido de circulação. Valores de taxa de circulação para a caixa utilizando-se soluções salinas como fluido de circulação são exibidos na Figura 5.6, para diferentes profundidades de imersão das pernas. Não foi observada influência significativa da profundidade de imersão sobre a taxa de circulação.

Figura 5.5 – Taxa de circulação para o vaso inferior de formato cilíndrico (panela): (a) comparação entre as técnicas de medição utilizando água como fluido de circulação; (b) influência da profundidade de imersão das pernas; (c) influência da densidade do fluido de

circulação, imersão de 60mm.

Nos gráficos das figuras anteriores (Figuras 5.3 a 5.6) que apresentam resultados de taxa de circulação, destaca-se que a influência da profundidade da imersão das pernas foi desprezível na faixa trabalhada. Vargas (2000), utilizando um modelo físico (1:5) verificou que a profundidade de imersão da perna pode influenciar na taxa de circulação, sendo que o aumento da profundidade de imersão de 60mm para 90mm provocou um aumento de cerca de 19% na taxa de circulação. Porém, alterando a profundidade de imersão de 90mm para 120mm, não influenciou a taxa de circulação de modo significativo. De acordo com o fator de escala do presente trabalho e de Vargas (2000), nota-se que as imersões de 90mm e 120mm corresponderiam às imersões de 60mm e 80mm no modelo físico do presente trabalho,

102 corroborando com a observação de que a variação da profundidade de imersão de 60mm para 140mm não afetou significativamente a taxa de circulação.

Figura 5.6 – Taxa de circulação em função da profundidade de imersão das pernas para o vaso inferior de formato retangular (caixa), utilizando fluido de circulação a solução aquosa de: (a)

NaCl (ρ = 1,17g/cm³); (b) ZnCl2 (ρ = 1,22g/cm³).