4.2 Experimentos Bifásicos Água-Ar
4.2.2 Sistema BCS Flange/Flange
Uma análise similar foi elabora para o sistema BCS Flange/Flange, considerando, o efeito da rotação e o efeito da inclinação no desempenho da bomba. Nesta seção apenas os gráficos com inclinação de 5° e 90° para o BEP de cada curva são apresentados. Os demais gráficos, que apresentaram comportamentos similares aos aqui expostos, para todas as inclinações e as diferentes vazões (0.75 BEP e 1.25 BEP), são apresentados no Apêndice C.
4.2.2.1 Efeito da Rotação da Bomba
Para estudar a influência da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Flange/Flange,(Figura 4.23) foi necessário fixar algumas variáveis (inclinação e vazão de líquido - BEP) e assim apenas variar suas rotações, para valores de 2400, 3000 e 3500 rpm.
Figura 4.23 – Efeito da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Flange/Flange, na Inclinação de 5°, vazão de líquido do BEP.
Na Figura 4.23 observa-se o incremento de pressão da BCS no sistema flange/flange em função da fração volumétrica de gás. O desempenho da BCS Flange/Flange nas diferentes rotações não é alterado pela presença de gás até aproximadamente 6% nas diferentes rotações. Porém, para frações de gás maiores que 6% as curvas passam a ter comportamentos completamente diferentes com a baixa rotação conseguindo manusear mais
gás que as demais e a queda brusca de desempenho da BCS a 3500rpm. Da mesma forma que foi feito para o caso do sistema BCS encapsulado, aqui o comportamento foi relacionado com o padrão de escoamento observado na entrada da bomba. Assim, imagens dos padrões de escoamento em duas frações de gás 3,5% e 7%, mesmas do caso encapsulado, foram analisadas. Para a fração de 3,5% tem-se as seguintes imagens (Figura 4.24) do escoamento antes da entrada da bomba para as diferentes rotações (3500, 3000 e 2400 rpm):
(a) – 3500 rpm
(b) – 3000 rpm
(c) – 2400 rpm
Figura 4.24 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 3,5%, na inclinação 5°, (a)
3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 3500rpm.
Para esta fração de gás não há alteração nas curvas de desempenho, entretanto quando analisamos as imagens vemos comportamentos um pouco diferentes. Na maior rotação há uma maior homogeneização das bolhas na seção transversal do tubo em comparação com as demais. Por exemplo, comparando 3500 rpm com 2400 rpm, verifica-se que a quantidade de bolhas dispersas a 3500rpm são muito maiores que em 2400 rpm, fator esse que acaba não
gerando grande influência para o desempenho da bomba. Há uma maior segregação de gás no topo do tubo dando início a pequenas golfadas de gás nas rotações menores.
Para a fração de 7% tem-se as seguintes imagens (Figura 4.25) do escoamento antes da entrada da bomba para as diferentes rotações (3500, 3000 e 2400 rpm):
(a) – 3500 rpm
(b) – 3000 rpm
(c) – 2400 rpm
Figura 4.25 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 7%, na inclinação 5°, (a)
3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 3500rpm.
Para a fração de gás de 7%, vemos uma grande queda no comportamento da curva de 3500 rpm (Fig. 4.23). Observa-se que, nessa condição, há uma segregação das bolhas no topo da tubulação formando um filme contínuo de gás que adentra a bomba. Assim, relaciona- se a segregação do gás com uma fração de gás alta e constante em uma região da bomba gerando uma queda no desempenho da BCS. Ao contrário, nas rotações menores (2400rpm e 3000 rpm) ocorre a formação de bolhas alongadas seguidas por regiões de líquido apenas. Especula-se que a entrada de um grande pistão de líquido logo após a entrada desta bolha na bomba, acaba
empurrando o gás do interior da BCS, não gerando perdas significativas na análise média do desempenho do sistema.
Nas bolhas alongadas ocorre uma fração de gás instantânea atuando na BCS, comportamento diferente das bolhas dispersas na rotação de 3500 rpm. Dessa forma uma fração de gás constante na entrada gera uma perda de desempenho mais elevada que as frações de gás instantâneas causadas pelas bolhas alongadas. Pode-se concluir que o padrão de entrada na bomba tem uma grande influência no desempenho da BCS.
Como analisado nas curvas de desempenho global para o sistema flange/flange (Figura 4.23), houve uma queda incomum na curva de 3500 rpm. Na análise das imagens não foi possível compreender totalmente o motivo dessa queda. A análise dos estágios individualmente buscou dar mais subsídios para o entendimento dos fenômenos conforme indicado nas Figuras Figura 4.26, Figura 4.27 e Figura 4.28.
Figura 4.26 – Análise do primeiro estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 5°, diferentes rotações.
Figura 4.27 – Análise do segundo estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 5°, diferentes rotações.
Figura 4.28 – Análise do terceiro estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 5°, diferentes rotações.
Através do gráfico do primeiro estágio (Figura 4.26), observa-se que a curva de 3500 rpm já vem em queda desde as frações de gás mais baixas, diferente das demais rotações. E, novamente para a fração de gás de 7%, têm-se valores negativos de incremento de pressão
no primeiro estágio, mas que ainda é manuseado pela bomba em rotações menores mesmo com desempenho menor.
A degradação da capacidade da bomba em gerar pressão, apresentada na curva de 3500 rpm, mostra a instabilidade operacional definida como surging, que é caracterizada por uma queda abrupta na capacidade de bombeamento, confirmando assim um dos motivos da queda abrupta no desempenho da curva de 3500 rpm na fração de 7% de gás.
Outro fator apresentado, é que após a queda abrupta causada pelo surging, é possível analisar um incremento de pressão nulo no primeiro estágio, causado pelo fenômeno
gas locking. Este fenômeno é causado pelo aumento da fração de gás que causa o bloqueio da
área disponível ao escoamento no rotor da bomba, fazendo com que o ganho de pressão seja nulo
Além das curvas a 5° de inclinação, buscou-se analisar a influência das rotações com a BCS na posição vertical (Figura 4.29). Observa-se novamente, pouca influência de frações de gás mais baixas no desempenho da bomba. Nesta orientação, também não é observada uma grande queda de desempenho para nenhuma das rotações mesmo em frações mais altas.
Figura 4.29 – Efeito da rotação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Flange/Flange, na Inclinação de 90°, vazão de líquido do BEP.
Analisa-se que, para baixas frações de gás, as rotações maiores apresentam um desempenho levemente maior, porém para as frações de gás maiores o efeito é o contrário, sendo o melhor desempenho observado para a rotação de 2400rpm. Da mesma forma que nos casos anteriores, buscou-se associar as curvas juntamente com as imagens dos padrões de escoamento na entrada da BCS para melhor entendimento do escoamento observado.
Para a fração de 3,5% tem-se as seguintes imagens (Figura 4.30) do escoamento antes da entrada da bomba para as diferentes rotações (3500, 3000 e 2400 rpm) a 90° de inclinação:
(a) – 3500 rpm
(b) – 3000 rpm
(c) – 2400 rpm
Figura 4.30 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 3,5%, na inclinação 90°,
(a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 3500rpm.
Para esta condição há pouca diferença nas curvas de desempenho para as três rotações, porém no quesito dos padrões de escoamento na entrada observa-se uma formação de bolhas maiores na menor rotação. Além disso, nessa inclinação se vê uma distribuição homogênea das bolhas por todo o tubo em todas as condições. Entretanto na maior rotação,
devido à maior vazão e maior turbulência, por consequência, há a quebra das bolhas em bolhas menores, formando um enxame de bolhas dispersas na seção transversal.
Para a fração de 6,5% tem-se as seguintes imagens (Figura 4.31) do escoamento antes da entrada da bomba para as diferentes rotações (3500, 3000 e 2400 rpm):
(a) – 3500 rpm
(b) – 3000 rpm
(c) – 2400 rpm
Figura 4.31 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 6,5%, na inclinação 90°,
(a) 3500 rpm (b) 3000 rpm e (c) 2400rpm.
Novamente para as frações de gás maiores, analisa-se a queda de desempenho para a rotação de 3500rpm, tanto para o sistema BCS Encapsulado e quanto para o sistema BCS Flange/Flange nas inclinações de 5° e 90°. A queda no desempenho, neste caso, parece estar ligada novamente à entrada de grande quantidade de bolhas dispersas na bomba, diferente das demais rotações onde bolhas maiores são observadas.
Para 90° de inclinação a análise das curvas de desempenho não apresentou uma queda brusca igual as demais. Porém, da mesma forma, analisou-se a bomba por estágios, em
busca de mais informações que possam auxiliar no entendimento dos fenômenos observados nas Figuras Figura 4.32, Figura 4.33 e Figura 4.34.
Figura 4.32 – Análise do primeiro estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 90°, diferentes rotações.
Figura 4.33 – Análise do segundo estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 90°, diferentes rotações.
Figura 4.34 – Análise do terceiro estágio da BCS no sistema flange/flange na inclinação de 90°, diferentes rotações.
Para o primeiro estágio vemos a degradação da curva de 3500 rpm maior que nas demais rotações, mostrando assim a sua influência disto no desempenho médio da BCS. Entretanto, não foram observadas degradações de desempenho nos outros estágios como ocorrido em outras condições.
Na inclinação de 90°, a degradação da capacidade da bomba em gerar pressão foi mais sutil comparada com as outras configurações, porém ainda se apresenta o começo do
surging na curva de 3500 rpm na fração de 6,5% de gás. Diferente dos outros gráficos dos
estágios apresentados, neta inclinação não apresentou o fenômeno gas locking, de modo que não se teve um incremento de pressão nulo.
4.2.2.2 Influência da Inclinação
O efeito da inclinação no desempenho da BCS para o sistema Flange/Flange também foi considerado. Para isso um gráfico comparativo do desempenho da bomba nas diferentes inclinações (5°, 60° e 90°), na mesma rotação de 3500rpm é apresentado na Figura 4.35. Observa-se que o melhor desempenho da BCS ocorreu na inclinação de 90°, com uma queda mais acentuada para mais altas frações de gás. O mesmo comportamento foi encontrado nas outras análises feitas.
Figura 4.35 – Influência da inclinação no desempenho bifásico da BCS GN5200 Flange/Flange, na rotação 3500rpm e no BEP
Para a fração de 3,5% (Figura 4.36) tem-se as seguintes imagens do escoamento antes da entrada da bomba para as diferentes inclinações (5°, 60° e 90°) na mesma rotação de 3500rpm:
(a) – Inclinação 5°
(b) – Inclinação 60°
(c) – Inclinação 90°
Figura 4.36 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 3,5%, na rotação 3500rpm
(a) Inclinação 5°, (b) Inclinação 60°, e (c) Inclinação 90°.
Associando assim os padrões encontrados para esta fração de gás, vemos que a dispersão homogênea das bolhas no tubo na inclinação de 90° levou a bomba a um desempenho melhor que nas demais inclinações, mesmo que marginalmente. Nas inclinações de 5° e 60° há início de segregação do gás no topo do tubo.
Para a fração de 6,5% (Figura 4.37) tem-se as seguintes imagens do escoamento antes da entrada da bomba para as diferentes inclinações (5°, 60° e 90°) na mesma rotação de 3500rpm:
(a) – Inclinação 5°
(b) – Inclinação 60°
(c) – Inclinação 90°
Figura 4.37 – Imagens do padrão de escoamento na entrada da bomba, sistema Flange/Flange e influência da rotação no desempenho bifásico com fração de gás 6,5%, na rotação 3500rpm
(a) Inclinação 5°, (b) Inclinação 60°, e (c) Inclinação 90°.
Seguindo a análise, para a fração de gás 6,5% há uma grande quantidade de gás no sistema, determinando uma queda no desempenho como podemos verificar em todas as inclinações. A 90° de inclinação observa-se uma distribuição homogênea da fração de gás. Para a 5° de inclinação as bolhas se concentram na parte superior do tubo. Como explicado anteriormente, essa entrada constante de fração de vazio no interior da bomba acaba causando uma queda no desempenho da BCS como observado na curva de desempenho da Figura 4.35.