Procedimentos experimentais

Os testes experimentais foram executados em duas etapas: a primeira apenas para escoamento monofásico e a segunda para escoamento bifásico. Como os testes contam com a medição de diversas variáveis, utilizando mais de uma técnica e exigindo o controle de alguns parâmetros, uma sequência de procedimentos foi adotada para cada etapa, sendo os principais pontos descritos a seguir.

3.2.1 Procedimento para escoamento monofásico

Os testes da bomba com escoamento monofásico servem de base para testar o funcionamento da bancada, além de permitir validar as curvas de desempenho experimentais da bomba com as curvas fornecidas pelo fabricante. Além disso, os resultados desses testes serviram como referência para a comparação com os resultados de desempenho com escoamento bifásico, e também para verificar o cumprimento das leis de similaridade.

A seguir, é apresentado o procedimento adotado para a realização dos testes monofásicos com água.

i. Inicia-se verificando a disposição das válvulas no circuito experimental: linha de ar fechada e linha de líquido aberta antes e depois da seção de testes, para garantir uma utilização adequada dos sensores.

ii. Ligam-se os sensores de pressão, temperatura e o medidor de vazão tipo Coriolis. Em seguida, o sistema de aquisição de dados também é ligado para

verificar seu correto funcionamento e a sua comunicação com os sensores e o medidor.

iii. Liga-se a bomba booster e a seguir a bomba teste. Fixa-se uma rotação para a bomba teste através de seu inversor de frequência, e aguarda-se até que o ar acumulado no circuito experimental seja eliminado. A rotação da bomba teste é mantida constante ao longo do teste.

iv. Mantém-se a válvula, na descarga da bomba teste, completamente aberta (início dos testes), e ajusta-se a rotação da bomba booster de modo a garantir uma pressão positiva na sucção da bomba teste e que a vazão gerada nessa condição corresponda ao ponto de vazão máxima, que foi calculada com base na curva do fabricante e leis de similaridade.

v. Aguarda-se a estabilização do escoamento, por um período de dois minutos. vi. Inicia-se a aquisição de dados para esse ponto durante um período de um

minuto, com uma frequência de aquisição de 1 kHz. Nesse período, são registradas a seguintes variáveis: vazão volumétrica do líquido, pressão diferencial no rotor do primeiro estágio, no difusor e em toda a bomba, pressão na sucção e descarga da bomba teste.

vii. Para a próxima condição operacional da bomba teste, restringe-se o escoamento através do fechamento gradual da válvula tipo globo no tubo de descarga até uma vazão desejada, e repetem-se os procedimentos v e vi.

O procedimento vii é realizado até que se atinja uma vazão mínima, quase nula, sempre tomando como referência a curva do fabricante. Nessa condição, o ganho de pressão deve ser o máximo referencial assumido para os testes, embora não correspondente ao ponto de Shutt- off (que não foi testado neste trabalho). Para a construção das curvas de desempenho monofásico, foram coletados entre 6 e 8 pontos ao longo de cada condição. As aquisições foram feitas nas rotações de 100, 200, 300, 400, 500 e 600 rpm.

3.2.2 Procedimento para escoamento bifásico

Para a avaliação da bomba teste sob escoamento bifásico, duas metodologias experimentais foram adotadas: testes a fração de vazio constante e testes com vazão mássica de ar constante. Em linhas gerais, o primeiro teste tem como prioridade avaliar o desempenho

global da bomba e o segundo tem por objetivo identificar a distribuição de fases no rotor e difusor do primeiro estágio.

Diferentemente do caso para escoamento monofásico, os testes para escoamento bifásico contam com um maior número de variáveis a controlar, além da rotação e vazão volumétrica do líquido, como por exemplo a pressão na entrada da bomba, a pressão no tanque de ar, a fração de vazio e a vazão mássica de gás. Além disso, paralelamente à aquisição dos dados de desempenho, imagens da distribuição das fases no rotor e difusor foram capturadas, assim como medições da fração de vazio na entrada da bomba através do sensor wire mesh.

a) Teste a fração de vazio constante

Cada um desses testes foi feito mantendo-se constante a velocidade de rotação, a fração de vazio e a pressão de sucção (160 kPa para todos os testes). A fração de vazio foi calculada tomando-se como referência o modelo homogêneo (sem deslizamento). Para cada uma das velocidades de rotação testadas, a vazão volumétrica do líquido foi reduzida gradativamente desde uma vazão máxima até uma mínima, a baixo da qual se torna muito difícil controlar as condições operacionais com a bancada de testes disponível.

A aquisição de dados foi realizada da seguinte maneira:

i. Inicia-se ligando os sensores de pressão, temperatura e o medidor de vazão tipo Coriolis. Em seguida, o sistema de aquisição de dados também é ligado para verificar seu correto funcionamento e a sua comunicação com os sensores e os medidores.

ii. Posiciona-se o aparato de visualização na seção de testes. Ajusta-se a iluminação e o foco da lente, e em seguida são fixados os parâmetros para aquisição das imagens no programa dedicado da câmera de alta velocidade.

iii. Verifica-se a pressão no tanque de ar comprimido a fim de garantir um fornecimento constante de vazão. A pressão de gás é fixada e mantida constante através de um regulador de pressão localizado na descarga do tanque.

iv. Liga-se a bomba booster, deixando o líquido circular por uma hora pelo circuito experimental. No presente caso, esse procedimento ajuda não somente a eliminar os acúmulos de ar, mas também a estabilizar a condutividade elétrica da água, processo importante para o bom funcionamento do sensor wire mesh. Ao mesmo

tempo, a caixa eletrônica do sensor wire mesh é ligada, e se aguarda por uma hora até que a temperatura dos circuitos elétricos se estabilize. Apenas após esse período se julga que o sensor wire mesh está pronto para medição.

v. Liga-se a bomba teste e fixa-se uma velocidade rotação constante ao longo do teste. Escolhe-se uma rotação para a bomba booster e uma abertura para a válvula de descarga a fim de se obter a pressão de sucção de 160 kPa e o ponto de vazão volumétrica máxima de líquido (tomando-se como referência os testes para escoamento monofásico).

vi. Inicia-se a injeção de ar e através de uma válvula tipo agulha ajusta-se o valor dessa vazão de forma a se ter a fração de vazio desejada. Essa fração de vazio é mantida constante durante todo o teste.

vii. Mantendo-se a velocidade de rotação, a fração de vazio e a pressão de sucção constantes, esperam-se entre dois e três minutos para que o escoamento se estabilize.

viii. A aquisição dos dados de desempenho é feita durante um período de um minuto. Já a aquisição das frações de vazio pelo WMS dura 30 segundos, e a aquisição de imagens durante um período aproximado equivalente a 10 voltas do rotor, o qual está em função da velocidade de rotação de teste.

ix. Fecha-se a válvula de injeção de ar e espera-se o tempo necessário para eliminar os resíduos de ar. Em seguida, usando-se o WMS, faz-se uma medida de calibração apenas com água (ƐH), dado esse utilizado no processamento das

medições do WMS.

x. Para a próxima condição operacional da bomba teste, diminui-se a velocidade de rotação da bomba booster e regula-se a abertura da válvula de descarga até a vazão desejada, mantendo-se a pressão de sucção constante.

Os procedimentos entre vi e x são repetidos até que se atinja uma vazão de líquido mínima, a partir da qual se torna muito difícil controlar a pressão de sucção e a fração de vazio com a presente bancada experimental. Para a construção das curvas de desempenho com escoamento bifásico, foram coletados em entre 12 e 13 pontos ao longo de cada curva.

b) Teste com vazão mássica de ar constante

Cada um desses testes foi feito mantendo-se constante a velocidade de rotação, a vazão mássica de ar e a pressão de sucção (160 kPa para todos os testes). Para cada uma das velocidades de rotação testadas, a vazão de líquido foi reduzida gradativamente até o ponto mínimo testado para cada curva.

A aquisição de dados foi realizada da seguinte maneira:

i. Realizam-se os procedimentos de i até v da seção anterior.

ii. Inicia-se a injeção de ar e, através de uma válvula tipo agulha, ajusta-se o valor da vazão mássica de ar desejado. Essa vazão foi mantido constante durante todo o teste.

iii. Repetem-se os procedimentos de vii até x da seção anterior.

Os procedimentos ii e iii foram repetidos até o ponto mínimo (relativo à vazão de líquido) testado em cada curva. Para a construção das curvas de desempenho sob escoamento bifásico neste teste, também foram coletados entre 12 e 13 pontos ao longo de cada curva.

A medida de calibração para o WMS com o tubo vazio (ƐL) foi feita uma vez apenas

para cada velocidade de rotação testada, ao começo dos testes. Durante os testes preliminares, observou-se que o controle da condutividade da água e o aquecimento da caixa eletrônica do WMS, como indicado no procedimento iv (seção a), permitiram ter medidas mais exatas.