Sonda de eletrodos em malha (Wire-mesh)

Esta técnica intrusiva foi apresentada inicialmente por Johnson (1987), tendo como aplicação a identificação da fração de água em óleo para a indústria de petróleo. A técnica proposta por este autor se aplica a misturas em que as fases apresentam condutividades

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elétricas distintas, e consiste na identificação da fase presente entre dois eletrodos a partir da resistividade do meio. A Figura 4.3 apresenta o esquema dos eletrodos para determinação experimental da fração de vazio através da técnica de malha metálica (wire-mesh). Conforme ilustrado nesta figura, o sistema consiste em duas camadas de eletrodos na forma de fios paralelos, dispostas 90° entre si. Os eletrodos de uma das camadas são sequencialmente excitados e a carga elétrica é detectada pelos eletrodos receptores da outra camada. Com o intuito de ilustrar o espaçamento entre as camadas de eletrodos, na Fig. 4.3 a distância entre elas foi ampliada comparativamente as demais dimensões. Prasser et al. (1998) e Da Silva et

al. (2007) utilizam camadas de eletrodos espaçadas de 1,5 mm, e Rodriguez et al. (2011)

utilizaram espaçamento de 1,0 mm.

Eletrodos

excitados

sequencialmente

Eletrodos

receptores

Figura 4.3 – Ilustração esquemática do sistema de malha metálica (wire-mesh).

No método proposto por Johnson (1987), a identificação da fase entre eletrodos é realizada a partir da corrente, sendo que na presença da fase com maior condutividade a corrente através do par de eletrodos é superior. A fração de vazio superficial é estimada a partir da varredura de todos os eletrodos emissores.

Baseado no método desenvolvido por Johnson (1987), Prasser et al. (1998) desenvolveram um sistema para a determinação da topologia das fases, através da tomografia obtida pela resistividade das fases. Os autores indicam que além do custo reduzido, comparado as técnicas de tomografia por raios gama, a técnica de malha metálica apresenta resolução espacial superior em relação às tomografias por radiação ou capacitiva.

A identificação da fase entre eletrodos, tendo a condutividade elétrica como indicador, impossibilita a utilização deste método para misturas de fluidos de reduzida condutividade, ou com características resistivas similares. Baseado nisso Da Silva et al. (2007,2010) desenvolveram uma sonda de eletrodos em malha baseada na capacitância dos fluidos da

EESC – USP Fabio Toshio Kanizawa mistura. A configuração dos eletrodos é idêntica, no entanto o sistema de excitação e condicionamento do sinal é diferente. A excitação é realizada através de corrente alternada com frequência elevada. Da Silva et al. (2007) utilizam uma frequência típica de excitação de 5 MHz.

Prasser et al. (1998) e Da Silva et al. (2007) utilizam a interpolação linear da condutividade e permissividade, respectivamente, para a obtenção da fração de vazio local. A interpolação é realizada entre os valores obtidos para escoamento monofásico de líquido e gás, correspondentes a frações de vazio nula e unitária, respectivamente.

A resolução espacial obtida através da técnica de eletrodos em malha depende do número de eletrodos de cada camada. Para dutos com geometria circular o número de pares de sensores é inferior ao produto entre o número de eletrodos de cada camada, pois cruzamentos entre eletrodos encontram-se posicionados externamente a seção transversal. Rodriguez et al. (2011) utilizam eletrodos espaçados de 3 mm, em um duto com diâmetro interno de 26,2 mm, resultando em 9 eletrodos em cada malha, e um número total de pares igual a 81 com 51 na região do escoamento.

A técnica de medição da fração de vazio através de eletrodos em malha apresenta reduzido tempo de resposta. No entanto trata-se de técnica intrusiva, perturbando o escoamento a jusante. Além disso, as sondas ficam sujeitas a serem danificadas com a presença de particulado sólido no escoamento. Johnson (1987) e Prasser et al. (1998) apresentam configurações com eletrodos com maior resistência mecânica e em menor número para estes casos, o que implica na redução da resolução espacial.

Este método é inadequado para determinação precisa de características da distribuição das fases durante escoamento segundo padrão anular e pistonado. Para o caso de escoamento segundo padrão anular e durante a passagem de bolhas a espessura de filme é reduzida, sendo inferior ao espaçamento entre eletrodos, impossibilitando a determinação da espessura de filme com a precisão necessária. Esta técnica, entretanto possibilita a determinação experimental de parâmetros importantes para o escoamento bifásico, como a geometria dos pistões de gás durante escoamento pistonado em tubos.

Não se verifica na literatura a utilização da sonda de eletrodos em malha para banco de tubos, no entanto Ito et al. (2011) apresentam estudo utilizando esta sonda em canal retangular para escoamento vertical de água e ar, com distância entre placas de 3 mm e

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largura do canal de 25 mm. Tal configuração de seção transversal é similar à região entre tubos adjacentes. Ito et al. (2011) instalaram eletrodos nas paredes da seção, sendo os eletrodos dispostos verticalmente em uma das paredes, e horizontalmente na outra, conforme ilustrado esquematicamente na Fig. 4.4. Os eletrodos foram instalados de modo a manter lisas as superfícies internas do canal, portanto trata-se de uma técnica não intrusiva. De maneira similar a Prasser et al. (1998), Ito et al. (2011) utilizam a característica condutiva dos fluidos para estimativa da fração de vazio, através da interpolação linear das resistências. A metodologia apresenta por Ito et al. (2011) é aparentemente viável para aplicação em banco de tubos, com os eletrodos de uma das malhas alinhados axialmente aos tubos e os eletrodos da segunda malha perpendiculares ao eixo dos tubos, com as duas malhas fixadas na superfície externa dos tubos, conforme representado esquematicamente na Fig. 4.5, proposta pelo presente autor. Para esta configuração a distância entre os eletrodos é variável devido à curvatura dos tubos, e tal fato torna necessária uma análise mais elaborada do sinal.

Figura 4.4 – Diagrama esquemático de eletrodos utilizados por Ito et al. (2011).

Direção do escoamento Paredes da

seção de testes

Eletrodos de

EESC – USP Fabio Toshio Kanizawa

Figura 4.5 – Diagrama esquemático de eletrodos para utilização em banco de tubos.

Uma configuração com eletrodos em malhas dispostas segundo um ângulo de 45° em relação ao eixo dos tubos também é possível de ser empregada em banco de tubos. Adicionalmente, considerando uma configuração com o plano das malhas inclinado em relação ao eixo dos tubos, conforme apresentado esquematicamente na Fig. 4.6, proposta pelo presente autor, seria possível obter as características do escoamento bifásico ao longo de um trecho significativo do perímetro do tubo.

Figura 4.6 – Diagrama esquemático proposto para instalação de sonda de eletrodos em malha para escoamento externo a banco de tubos.