Instalação Experimental

As bancadas serão descritas separadamente devido a diferenças nas instalações e na instrumentação de cada uma. Contudo, todas as bancadas montadas tinham comprimento da seção de testes com 12 m de comprimento, resultando em experimentos com razão comprimento por diâmetro (L/D) de 432, 224, 146 e 113, respectivamente para 27,75 mm, 53,55 mm, 82,25 mm e 106,47 mm.

3.1.1 Laboratório Experimental de Petróleo"Kelsen Valente" - LABPETRO

No Laboratório Experimental de Petróleo"Kelsen Valente" - LABPETRO, foram montados os tubos com diâmetro nominal de 1", 2" e 3". Devido à programação dos experimentos e compartilhamento das instalações do local, a sequência de montagem se deu inicialmente pelo tubo de 3", seguido pelo de 1" e finalmente pelo de 2". O LabPetro já possuía a infraestrutura necessária para montagem do aparato, sendo que a realização dos ensaios nos diferentes tubos se deu apenas com a substituição destes quando findava seu uso.

A linha da seção de teste, mostrada esquematicamente na Figura 3-1, era composta por dois tubos de aço galvanizado com 6 m cada. Ao fim desta foi instalado o tubo de acrílico para visualização do escoamento, com caixa de acrílico, para filmagem dos padrões. A caixa de acrílico foi preenchida com água para redução do efeito de lente devido a curvatura da tubulação, e pode ser observada na Figura 3-2. A mistura dos fluidos era feita imediatamente antes do início da seção de testes, sendo o ar injetado na lateral do tubo preenchido com água, por meio de uma junção angulada em 45° com o tubo principal, paralela ao chão. A perda de pressão foi medida com a primeira tomada instalada a 9 m a partir do início da seção, e a segunda tomada 2,5 m a jusante desta. A assinatura de pressão diferencial foi medida com a tomada de montante instalada a 11,8 m do início da seção de testes e a de jusante 0,1 m depois dela. A pressão estática foi medida na mesma tomada de jusante da assinatura de pressão, a 11,9 m do início da seção de teste. A temperatura foi medida antes da injeção de ar, apenas na água, sendo que essa temperatura foi considerada também para o ar e constante ao longo da tubulação.

Figura 3-1 - Esquema da bancada experimental montada no LabPetro.

Tabela 3-2 - Descrição dos equipamentos presentes na bancada experimental montada no LabPetro.

Código Equipamento Código Equipamento

RW Reservatório de água M Misturador água-ar

BP By-pass da linha de água Teste Seção de testes

BC Bomba centrífuga VI Seção de visualização

IF Inversor de frequência para bomba

centrífuga R

Retorno da mistura para o reservatório de água

VW1 Medidor de vazão de água – alta vazão T Sensor de temperatura tipo PT-100 VW2 Medidor de vazão de água – baixa vazão DP Transdutor de pressão diferencial

CA Compressor de ar tipo parafuso AP Sensor de pressão diferencial de alta frequência

RA Vaso de pressão / reservatório de ar P Sensor de pressão estática

VA Medidor de vazão de ar

VC Válvula controladora de vazão de ar

VW2 RA CA RW Ar a tmosférico BC VA VC T DP AP PE Teste VI IF VW1 BP M R

Figura 3-2 - Vista geral da tubulação montada no LabPetro para realização dos experimentos de 3". A seta 1 indica o trecho de tubos e a seta 2 a caixa de acrílico para visualização.

O suprimento de água foi feito por bomba centrífuga, que bombeava o fluido a partir de um reservatório aberto a pressão atmosférica, no qual também era liberado o ar que retornava da seção de testes. A variação da vazão foi feita com o uso do variador de frequência instalado no motor da bomba, auxiliado por um by-pass, cuja finalidade também era o ajuste da pressão da linha. O fluxo poderia ser desviado para um dos dois medidores de vazão de água: um com capacidade para até 100000 kg/h e outro para até 6000 kg/h. O suprimento de ar foi feito com compressor tipo parafuso cuja pressão de trabalho é de 7,5 bar, podendo suportar até 9 bar. O ar comprimido era armazenado em vasos de pressão antes de ser direcionado ao laboratório, evitando assim variações de pressão e vazão na linha.

As propriedades da água foram consideradas constantes, e as do ar foram calculadas de acordo com a condição de pressão e temperatura medidas, devido a sua alta compressibilidade. A densidade do ar foi calculada a partir da equação de estado para gás

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perfeito, e sua viscosidade a partir do cálculo indicado pela equação constante na norma ASHRAE 51-75.

Foram ensaiados escoamentos de mistura em diversas combinações de velocidades superficiais, de forma a montar mapas de padrão de escoamento, explorando a capacidade máxima e mínima de cada bancada. Paralelamente, a queda de pressão diferencial foi medida a fim de ser comparada posteriormente com variadas proposições teóricas para seu cálculo. A definição de cada padrão de escoamento foi feita de forma visual, tendo como referência a descrição constante em Shoham (2006). Padrões que apresentavam o mais claramente possível a descrição da literatura, foram filmados com a finalidade de apresentar a descrição visual dos padrões observados. Todos as aquisições de dados dos ensaios tiveram também aquisição da assinatura temporal de pressão diferencial em alta frequência, com o objetivo de utilizar a análise dos sinais para encontrar um referencial estatístico para cada padrão observado e assim assegurar que cada padrão observado foi definido também por esse método.

A validação das bancadas montadas e seus instrumentos está detalhada na seção 3.2 Procedimento experimental.

3.1.2 Laboratório de Vazão - LV

No Laboratório de Vazão do IPT foram executados os ensaios com tubulação de diâmetro nominal de 4". A bancada foi montada paralelamente a bancada de execução de ensaios em medidores de vazão de água. A linha da seção de teste, mostrada esquematicamente na Figura 3-3, de forma semelhante as demais bancadas montadas, era composta por dois tubos de aço galvanizado com 6 m cada. Nesse caso, ao fim desta foi instalado o tubo de vidro para visualização do escoamento, que também pode ser visto na foto da Figura 3-4. Neste tubo não foi montada caixa de acrílico e, dessa forma, possivelmente a filmagem dos padrões pode apresentar efeito de lente devido a curvatura da tubulação. A mistura dos fluidos era feita imediatamente antes do início da seção de testes, sendo o ar injetado na parte superior do tubo preenchido com água, por meio de uma junção angulada em 90° com o tubo principal. Os pontos de medição de queda de pressão e de pressão estática

foram montados a distâncias rigorosamente iguais aquelas das demais bancadas. A temperatura foi medida antes da injeção de ar, apenas na água, sendo que essa temperatura foi considerada também para o ar e constante ao longo da tubulação.

O suprimento de água foi feito por bomba centrífuga, que bombeava o fluido a partir de um reservatório aberto a pressão atmosférica, no qual também era liberado o ar que retornava da seção de testes. A variação da vazão foi feita com o uso do variador de frequência instalado no motor da bomba. A vazão de água foi media por apenas um medidor com capacidade de 10 m³/h até 180 m³/h. O suprimento de ar foi feito com compressor tipo parafuso cuja pressão de trabalho é de 7 bar. O ar comprimido era armazenado em vasos de pressão antes de ser direcionado ao laboratório, evitando assim variações de pressão e vazão na linha. A variação da vazão de ar foi feita manualmente com uso de válvula reguladora de vazão.

Figura 3-3 - Esquema da bancada experimental montada no Laboratório de Vazão.

Tabela 3-3 - Descrição dos equipamentos presentes na bancada experimental montada no Laboratório de Vazão.

Código Equipamento Código Equipamento

RW Reservatório de água M Misturador água-ar

BC Bomba centrífuga Teste Seção de testes

IF Inversor de frequência para bomba

centrífuga VI Seção de visualização

RA CA RW Ar a tmosférico BC VA VC T DP AP PE Teste VI IF VW1 M R

Código Equipamento Código Equipamento

VW Medidor de vazão de água R Retorno da mistura para o reservatório de água

CA Compressor de ar tipo parafuso T Sensor de temperatura tipo PT-100 RA Vaso de pressão / reservatório de ar DP Transdutor de pressão diferencial

VA Medidor de vazão de ar AP Sensor de pressão diferencial de alta

frequência VC Válvula controladora de vazão de ar P Sensor de pressão estática

As propriedades da água e do ar foram calculadas de acordo com a condição de pressão e temperatura medidas. A densidade do ar foi calculada a partir do equacionamento indicado pela ASHRAE para ar úmido, e sua viscosidade a partir do cálculo indicado pela equação de Sutherland (SUTHERLAND, 1893).

Foram ensaiados escoamentos de mistura em diversas combinações de velocidades superficiais, de forma a montar mapas de padrão de escoamento, explorando a capacidade máxima e mínima da bancada. Paralelamente, a queda de pressão diferencial foi medida a fim de ser comparada posteriormente com variadas proposições teóricas para seu cálculo. A definição de cada padrão de escoamento foi feita de forma visual, tendo como referência a descrição constante em Shohan (2006). Padrões que apresentavam o mais claramente possível a descrição da literatura foram filmados com a finalidade de apresentar a descrição visual dos padrões observados. Todas as aquisições de dados dos ensaios tiveram também aquisição da assinatura temporal de pressão diferencial em alta frequência, com o objetivo de utilizar a análise dos sinais para encontrar um referencial estatístico para cada padrão observado e assim assegurar que cada padrão observado foi definido também por esse método.

Figura 3-4 - Vista geral da tubulação montada no LV para realização dos experimentos de 4". A seta 1 indica o trecho de tubos e a seta 2 o tubo de vidro para visualização.