Gradiente de pressão bifásico em escoamento líquido-líquido

Concomitante ao levantamento dos padrões de escoamento em tubulação horizontal em escoamentos líquido-líquido foram levantados dados de queda de pressão bifásica. Foi utilizado o aparato experimental descrito na Seção 3.1.1, com o diafragma de fundo de escala 14 kPa e incerteza de 0,25 % (35 Pa). A distância entre as tomadas de pressão foi de 3 m para os primeiros 181 pontos e 1,5 m para os pontos restantes; essa mudança nas tomadas de pressão foi necessária para não se atingir o fundo de escala do diafragma. Foram utilizadas as tomadas de pressão 3-4 (1,5 m) e 3-5 (3 m). Foi tomado o cuidado de minimizar as quedas de pressão localizadas, pela troca de posição das luvas e tubos.

As Figuras 4.13 a 4.16 apresentam gráficos com o gradiente de pressão em função da velocidade superficial da água para velocidades constantes de óleo. Estes gráficos estão divididos de acordo com padrões que foram observados; tais padrões serão o alvo das discussões presentes nesta Seção.

A Figura 4.13 apresenta a variação do gradiente de pressão para baixas velocidades de óleo (0,02 a 0,08 m/s). Observam-se três tendências distintas conforme a velocidade superficial de água aumenta. Inicialmente há um aumento do gradiente de pressão até atingir um ponto de máximo local, a mesma decresce e depois volta a aumentar. Pode-se inferir, ao fazer comparações com as observações dos padrões de escoamento (Figura 4.9), que a mudança de tendência do gradiente de pressão se deve à mudança no padrão de escoamento. Assim, na Figura 4.13 tem-se inicialmente o padrão estratificado (SW e SW&MI), depois há a transição para o padrão (G) e finalmente o padrão disperso (Do/w&w). Não há presença do padrão anular (A).

Figura 4.13 – Gradiente de pressão em escoamento bifásico para baixas velocidades superficiais de óleo (Uos=0,02 m/s a 0,08 m/s), vide Figura 4.9 para comparações.

A Figura 4.14 apresenta o gradiente de pressão para velocidades superficiais moderadas de óleo (0,1 a 0,28 m/s) em função da velocidade superficial de água. Novamente, percebem-se três tendências diferentes conforme a velocidade superficial de água aumenta. Inicialmente há um decréscimo do gradiente de pressão até um valor mínimo, conforme a velocidade superficial de água aumenta teríamos um aumento do perímetro molhado pelo óleo e, consequentemente, uma diminuição do perímetro do óleo, acarretando menor atrito parietal do óleo e diminuição do gradiente de pressão. O gradiente se torna constante, onde tem-se os padrões gotas de óleo (G), tais gotas coalescem formando o padrão anular (A). O gradiente de pressão então aumenta conforme a velocidade superficial de água aumenta. Pode-se dizer que este aumento da velocidade causa a ruptura da fase interna do anular (óleo) levando a formação do padrão pistonado. Novamente, pode-se dizer que os padrões de variação do gradiente de pressão se mantêm quando o padrão de escoamento é o mesmo. Neste gráfico, tem-se a variação do padrão estratificado (SW e SW&MI) aos padrões gotas e anular (G e A), em seguida ao padrão intermitente (P) e finalmente a transição ao padrão disperso (Do/w&w).

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 ST SW SW&MI G Do/w&w G radi ent e de P ressão [P a/ m ] Uws [m/s] Uos= 0,06 m/s

Figura 4.14 – Gradiente de pressão em escoamento bifásico para moderadas velocidades superficiais de óleo (Uos=0,1 m/s a 0,28m/s), vide Figura 4.9 para comparações.

A Figura 4.15 apresenta a variação do gradiente de pressão para velocidades superficiais de óleo de moderadas a altas (0,31 a 0,6 m/s). Há agora quatro tendências diferentes no gradiente de pressão conforme a velocidade superficial de água aumenta. Inicialmente tem-se uma região de queda de pressão praticamente constante onde o padrão estratificado ondulado é observado (SW). Ocorre uma queda abrupta do gradiente de pressão, o padrão de escoamento muda para padrão gotas (G), neste padrão o óleo não está em contato com a parede da tubulação, causando diminuição das perdas por atrito e corroborando a diminuição do gradiente de pressão. Ocorre um pequeno acréscimo no gradiente de pressão com o aumento da velocidade superficial de água, mas não há mudança do padrão de escoamento, deve-se ao aumento das perdas por atrito devido ao aumento da velocidade da fase água. O padrão de escoamento muda ao anular com o aumento da velocidade de água, e este também causa aumento do gradiente de pressão. Com a mudança ao padrão disperso um aumento da velocidade de água causa aumento do grau de turbulência aumentando o gradiente de pressão. Assim, as mudanças na tendência do gradiente de pressão estão associadas a transições de padrões de escoamento; inicialmente tem-se o padrão estratificado (SW e SW&MI), ao padrão gotas (G), ao padrão anular (A) e finalmente aos padrões intermitente (P) e disperso (Do/w&w) (ver Figura 4.9).

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 1000 2000 3000 4000 5000 Uos= 0,25 m/s SW SW&MI G A P Do/w&w G radi ent e de P ressão [P a/ m ] Uws [m/s]

Figura 4.15 – Gradiente de pressão em escoamento bifásico para moderadas a altas velocidades superficiais de óleo (Uos=0,31 m/s a 0,6 m/s), vide Figura 4.9 para comparações.

A Figura 4.16 apresenta a variação do gradiente de pressão em função da velocidade superficial de água para altas velocidades superficiais de óleo (0,7 a 1 m/s). Nesta região observa-se somente o aumento do gradiente de pressão com o aumento da velocidade superficial de água. Nesta região observam-se apenas dois padrões de escoamento: anular (A) e disperso (Dow&w). Na região de velocidades superficiais de água entre 1,2 e 1,5 m/s pode- se perceber uma mudança na derivada do sinal; isto é comparado à transição de padrões de escoamento. Comparando a região em que ocorre mudança de derivada do sinal com as observações de padrões de escoamento, percebe-se que nesta região foi observada a mudança do padrão anular ao padrão disperso, o que corrobora a afirmação feita anteriormente (vide Figura 4.9). 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 SW P G A Do/w&w G radi ent e de P ressão [P a/ m ] Uws [m/s] Uos= 0,4 m/s

Figura 4.16 – Gradiente de pressão em escoamento bifásico para altas velocidades superficiais de óleo (Uos=0,7 m/s a 1,0 m/s), vide Figura 4.9 para comparações.

Essas mudanças de tendência no gradiente de pressão podem ser úteis para a definição de uma carta de fluxo objetiva. Há ainda a necessidade de um estudo do sinal de assinatura de pressão nestas regiões para verificação da existência de mais alguma característica que possa ser utilizada para identificar a mudança, por exemplo, entre o padrão gotas e o intermitente e entre o padrão anular e intermitente. Estes estudos serão deixados para trabalhos futuros.