Efeito da Rotação da Bomba

Para estudar a influência da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Encapsulado, foi necessário fixar algumas variáveis (inclinação e vazão de líquido) e assim variar apenas a rotação (2400, 3000 e 3500 rpm) e fazer a análise em função da injeção de gás.

Na Figura 4.8 observa-se que para baixas frações de gás não ocorre grande influência no desempenho da BCS em função da rotação, porém quando a fração de gás ultrapassa 6% a curva de 3500 rpm tem uma queda brusca de seu incremento de pressão. Devido a este comportamento anômalo da curva, houve a necessidade de um estudo mais detalhado dessa região. Fixou-se duas frações de gás: 3,5% e 7 %, (setas pretas na Figura 4.8), e analisou- se as imagens do escoamento no duto anular em busca de comportamentos diferentes que pudessem explicar as observações.

Figura 4.8 – Efeito da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Encapsulado, na Inclinação de 5°, vazão de líquido de BEP.

Nesta inclinação pode-se analisar como o nível de segregação do gás fica formado, de modo que pequenas bolhas vão se formando ao longo do anular e vão segregando no topo do duto. Nas figuras a seta vermelha indica a direção da gravidade, visto que as imagens acompanharam o aparato nas suas inclinações.

Para a fração de 3,5% observou-se as imagens (Figura 4.9) do escoamento em função das rotações:

(a) – 3500 rpm

(c) – 2400 rpm

Figura 4.9 – Imagens do escoamento no sistema encapsulado com fração de gás de 3,5%, na inclinação 5°, com as rotações: (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm.

Como analisado nas curvas médias de desempenho vimos que para baixas frações de gás não há diferenças significativas no desempenho da bomba nas diferentes rotações. Observou-se através das imagens que nas três rotações se manteve um vórtice na entrada de apenas um orifício do intake, mantendo um padrão de entrada muito similar e constante. Apenas nas rotações mais elevadas o sistema apresentou um comportamento mais caótico no nível estabelecido pela segregação do gás.

Para a fração de 7% observou-se as imagens (Figura 4.10) do escoamento em função das rotações:

(b) – 3000 rpm

(c) – 2400 rpm

Figura 4.10 – Imagens do escoamento no sistema encapsulado com fração de gás de 7%, na inclinação 5°, com as rotações: (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm.

Na fração de gás 7%, as imagens do intake foram feitas e analisadas em busca de uma explicação para a razão de a curva a 3500 rpm apresentar uma queda brusca no desempenho. Observou-se uma diferença de padrão na sucção de gás pelo intake. No caso de 3500 rpm há uma entrada constante na sucção do intake de uma grande quantidade de bolhas. Por outro lado, nas curvas de 2400 e 3000 rpm o sistema apresenta, esporadicamente, pistões de líquidos e após isso bolsões carreados de grande quantidade de bolhas menores que quebram o nível de segregação, padrão esse que não se encontra na curva de 3500 rpm.

Em complementação às análises médias dos resultados de desempenho, foram elaborados gráficos de cada estágio da BCS, buscando assim verificar como o comportamento médio causado pelos padrões de escoamento na sucção da BCS ocorre em cada estágio. As

Figuras Figura 4.11, Figura 4.12 e Figura 4.13 apresentam, respectivamente, o desempenho do primeiro, do segundo e do terceiro estágios para as diferentes rotações testadas.

Figura 4.11 – Análise do primeiro estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 5°, diferentes rotações.

Figura 4.12 – Análise do segundo estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 5°, diferentes rotações.

Figura 4.13 – Análise do terceiro estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 5°, diferentes rotações.

Para o primeiro estágio da BCS (Figura 4.11), foi possível ver uma degradação constante entre as três rotações. Na curva de 3500 rpm degradando-se antes das demais, por volta de 6% de gás mostrando que nesta rotação se tem uma maior quantidade de gás no sistema, pois quanto maior a rotação maior sua vazão de fluidos (líquido e gás).

Quando se compara o primeiro estágio (Figura 4.11) com o segundo (Figura 4.12), nas frações de 6% de gás na rotação de 3500rpm, pode-se analisar a degradação da capacidade da bomba em gerar pressão, além de gerar uma instabilidade no sistema. A instabilidade operacional é definida como surging, sendo está caracterizada por uma queda abrupta na capacidade de bombeamento, confirmando assim um dos motivos da queda abrupta no desempenho da curva de 3500 rpm.

Após o ponto de surging, o aumento da fração de gás pode causar o bloqueio da área disponível ao escoamento no rotor da bomba, fazendo com que o ganho de pressão seja nulo, fenômeno conhecido como ‘gas locking’. Ponto este que se pode ser observado no primeiro estágio, após sua queda de desempenho se tem um ganho de pressão nula, e se mantém para os demais estágios nas frações de gás maiores.

Para a inclinação de 90°, a partir da Figura 4.14 , observa-se que, em frações de gás baixas, há um desempenho levemente melhor nas rotações de 3000 e 3500 rpm. Entretanto, similar ao observado na inclinação de 5°, há uma queda no desempenho a 3500 rpm nas frações

de gás maiores. Para avaliar esses resultados foram associados, novamente, as imagens do escoamento com o gráfico de desempenho.

Figura 4.14 – Efeito da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Encapsulado, na Inclinação de 90° vazão de líquido de BEP

O escoamento na inclinação de 90° ocorre de forma que as bolhas são carreadas em todo o tubo, formando um padrão homogêneo. Observa-se ainda que o nível fica estagnado sobre as entradas do intake, como pode ser observado nas Figuras Figura 4.15 e Figura 4.16. Novamente a seta vermelha indica a direção da gravidade. Para a fração de 3,5% (Figura 4.15) tem-se as seguintes imagens do escoamento na região do intake para as diferentes rotações:

(b) – 3000 rpm

(c) – 2400 rpm

Figura 4.15 – Imagens do escoamento no sistema encapsulado com fração de gás de 3,5%, na inclinação 90°, com as rotações: (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm.

A observação de quase ausência de influência da rotação nesta inclinação para baixas frações de gás foi corroborada pela observação de que não há diferença no padrão de escoamento no intake da BCS. Ou seja, observou-se que a distribuição das bolhas é uniforme e homogênea no sistema, não apresentando nenhuma diferença visível, o que se confirmou pelas curvas de desempenho.

Para a fração de 7% (Figura 4.16) tem-se as seguintes imagens do escoamento na região do intake para as diferentes rotações:

(a) – 3500 rpm

(b) – 3000 rpm

(c) – 2400 rpm

Figura 4.16 – Imagens do escoamento no sistema encapsulado com fração de gás de 7%, na inclinação 90°, com as rotações: (a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm.

Observa-se pelas imagens que o escoamento na rotação de 3500 rpm continua sendo homogêneo em bolhas (Figura 4.16 (a)). Entretanto, para as outras rotações (3000 – Figura 4.16 (b) e 2400 – Figura 4.16 (c)) há a presença de bolhas maiores que são seguidas por pistões de líquido. Desta forma, compreende-se que a entrada constante de gás pela grande quantidade de bolhas causa uma perda significativa de desempenho da bomba na rotação de 35000 rpm, pois nas rotações inferiores, a fração de vazio instantâneas através das bolhas grandes, causa menos influência no desempenho da BCS, fator esse devido a um grande pistão de líquido que segue essas bolhas de gás, e acaba empurrando o gás estagnado na BCS.

Seguindo as análises propostas para a inclinação de 5°, aqui também é feita uma análise por estágio da BCS para a inclinação de 90°. As Figuras Figura 4.17, Figura 4.18 e Figura 4.19 apresentam, respectivamente, o desempenho do primeiro, do segundo e do terceiro estágios para as diferentes rotações testadas na inclinação de 90°.

Figura 4.17 – Análise do primeiro estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 90°, diferentes rotações.

Figura 4.18 – Análise do segundo estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 90°, diferentes rotações.

Figura 4.19 – Análise do terceiro estágio da BCS no sistema encapsulado na inclinação 90°, diferentes rotações.

Nos dois primeiros estágios observa-se as mesmas características das curvas por estágio observadas na inclinação de 5°, em que os estágios apresentam uma pequena similaridade de degradação, porém por volta de 7% a curva de 3500 rpm no primeiro estágio já não apresenta ganho de pressão (Figura 4.17).

A queda no desempenho da BCS é bastante visível para o segundo (Figura 4.18) e terceiro estágio (Figura 4.19) para a fração de gás de 7% quando o primeiro estágio fica sem incremento de pressão o que acaba afetando o desempenho dos outros estágios e consequentemente o desempenho global da BCS.

Relacionando novamente ao escoamento, a instabilidade operacional surging é observada, sendo está caracterizada por uma queda abrupta na capacidade de bombeamento, confirmando assim um dos motivos da queda abrupta no desempenho da curva de 3500 rpm. Fator este que resulta novamente em um ganho de pressão nulo, gerando nesta inclinação o fenômeno conhecido como gas locking, observado no primeiro estágio com os incrementos de pressão nulos.