Agitante Anular
6.12 Sistema óptico
O presente estudo envolve o desenvolvimento de metodologia experimental para determinação da fração de vazio superficial na região entre tubos a partir de imagens obtidas do escoamento. O método se baseia na técnica óptica empregada por Wojtan (2005c) que considera a excitação, através de uma lâmina de laser, de rodamina B (dye) diluída na fase líquida permitindo a caracterização da distribuição das fases. Para o emprego de tal técnica construiu-se um sistema de espelhos ilustrado esquematicamente na Fig. 6.28, instalado nas décima e décima primeira camadas de tubos. A visualização se deu a partir do sistema de câmera e espelho localizado na camada superior, e a excitação da rodamina se deu através do conjunto composto por fonte de laser e espelho instalados na camada de tubos inferior. De uma maneira geral, o sistema óptico é composto pelos seguintes componentes:
Câmera de alta velocidade: câmera de alta velocidade, modelo Optronis CamRecord 600 com resolução de até 1280 x 1024 pixels e taxa de gravação de 500 imagens por
0,03 0,1 1 10 100 300 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16
Valor Me dido [kPa]
E rr o [ k P a ] / V a lo r M ed id o [ k P a ] Transdutor de -3 a 3 kP a Transdutor de -10 a 10 kP a Transdutor de -300 a 300 kP a
EESC – USP Fabio Toshio Kanizawa segundo para a resolução máxima. A câmera conta com lente Nikon AF Micro-Nikkor 60 mm f/2.8D;
Fonte de laser: fonte de laser com comprimento de onda de 532 nm e 40 mW para excitação da rodamina B dissolvida na água na concentração de uma molécula de traçador para 3 milhões de moléculas de água;
Conjunto óptico: conjunto de espelhos para formação da lâmina de laser entre tubos de espessura reduzida;
Tubos de vidro: tubos de borosilicato com diâmetro externo igual a 19 mm, fixados nas laterais da seção de testes através de anéis de vedação e buchas;
Figura 6.28 – Ilustração esquemática do sistema óptico utilizado na determinação local de fração de vazio superficial e padrão de escoamento.
Os espelhos foram fixados em peças cilíndricas usinadas em PVC com a extremidade fresada a 45° em relação ao eixo principal, conforme ilustrado na Fig. 6.29. Este conjunto foi inserido no tubo de vidro. O posicionamento do suporte do espelho se deu através de anéis de vedação fixados em canais, com a posição do suporte ajustada através de haste com acesso externo. Os tubos de vidro foram fixados através de buchas usinadas em PVC, contando com anéis de vedação interno e externo conforme ilustrado na Fig. 6.29.
Direção do Escoamento Fonte de laser Câmera de alta velocidade Espelhos Tubos de vidro Lâmina de laser Vista lateral em corte Vista superior Espelhos Tubos de vidro Lâmina de laser Câmera de
alta velocidade Fonte de
laser Lâmina de laser A A Vista A-A Tubos de vidro
166 Aparato experimental
Fabio Toshio Kanizawa EESC – USP
Figura 6.29 – Imagem de suporte e espelho inseridos em tubos de vidro.
A fonte de laser utilizada para a excitação da rodamina B apresenta o feixe de laser em forma de lâmina, portanto não foram necessários aparatos ópticos adicionais para a formação da lâmina de laser. O trecho central do tubo de aço posicionado lateralmente ao tubo de vidro contendo o sistema de iluminação foi recoberto com tinta preta fosca visando reduzir efeitos de reflexão.
A Figura 6.30 apresenta o sistema óptico montado na seção de calibração. Utilizou-se folhas de papel opaco no interior dos tubos de vidro de forma a evitar passagem de luz em trechos indesejados.
Figura 6.30 – Imagens do sistema óptico montado no aparato de calibração.
Projetou-se a lâmina de laser em figura impressa com elementos quadriculados de 0,5 mm, sendo verificada uma espessura inferior à dimensão destes elementos.
EESC – USP Fabio Toshio Kanizawa
6.13 Sonda capacitiva
Conforme indicado por Falcone et al. (2009), a utilização de sensores capacitivos para a estimativa da fração de vazio durante escoamento bifásico interno a tubos é usual. Entretanto, através deste estudo, não se constatou na literatura aberta a utilização desta técnica para determinação da fração de vazio local durante escoamentos bifásicos externos a banco de tubos.
A Figura 6.31 ilustra a sonda capacitiva desenvolvida visando a determinação da fração de vazio na região entre tubos. Para sua construção foram usinadas peças em PVC utilizadas como suportes dos eletrodos, e para instalação de cabo e de conector BNC (Bayonet
Neil Concelman). Inicialmente os eletrodos foram fixados nos suportes, e posteriormente o
cabo e o conector foram instalados e soldados. O conjunto obtido foi inserido em um tubo de alumínio com diâmetro interno de 19 mm, atuando como molde, o qual foi preenchido com resina epóxi. Após o processo de cura da resina, as extremidades das sondas foram usinadas de modo a possibilitar suas instalações na seção de testes e a prover vedação.
Duas sondas iguais à apresentada na Fig. 6.31 foram construídas e instaladas na seção de testes, dispostas conforme ilustrado na Fig. 6.32. Seus conectores foram posicionados em lados opostos da seção com o objetivo de reduzir a influência da capacitância entre os cabos. A Figura 6.31 ilustra três tiras metálicas, com o eletrodo do capacitor sendo a tira central e as laterais os eletrodos de guarda, instalados com o objetivo de reduzir a influência de ruídos externos. Vale destacar que as sondas contam com uma fina camada de resina sobre os eletrodos, isolando-os eletricamente do fluido de trabalho e, consequentemente, elevando a parcela resistiva da impedância do meio. As Figuras 6.32 e 6.33 ilustram esquematicamente a disposição dos eletrodos da sonda capacitiva e as distribuições das fases do escoamento.
Devido ao fato do sistema de aquisição realizar leitura de tensão, fez-se necessário o desenvolvimento de um circuito para conversão da capacitância entre os eletrodos em um sinal de tensão. A Figura 6.34 ilustra o circuito projetado e construído, que envolve uma fonte de tensão alternada, sondas, integrador, filtro passa-faixa, retificador de pico, e filtro passa- baixa.
168 Aparato experimental
Fabio Toshio Kanizawa EESC – USP
a
b
Figura 6.31 – Ilustrações da sonda capacitiva construída para determinação experimental da fração de vazio. a) sonda completa; b) detalhe do eletrodo.
Figura 6.32 – Esquema de vista em corte de sonda capacitiva.
Figura 6.33 – Distribuição das fases durante o escoamento bifásico.