Testes Monofásicos com Fluido Viscoso

As curvas de elevação, potência e eficiência da BCS GN5200 operando com fluido viscoso, na rotação de 1200 rpm, são apresentadas na Figura 4.33, Figura 4.34, Figura 4.35, respectivamente. A linha tracejada indica os pontos de melhor eficiência para diferentes viscosidades. A curva de desempenho com água, também, é apresentada como referência.

Com o incremento da viscosidade, as dissipações viscosas aumentam, causando a deterioração do desempenho da bomba. A vazão e a elevação do BEP diminuem, deslocando a eficiência máxima para a esquerda da curva. A potência consumida sofre um aumento acentuado, enquanto a bomba perde capacidade de transferir energia ao fluido, resultando em uma redução considerável da sua eficiência.

Figura 4.33 – Curva de elevação da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 1200 rpm.

Figura 4.34 – Curva de potência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 1200 rpm.

Figura 4.35 – Curva de eficiência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 1200 rpm.

Diferentemente do relatado na literatura, a elevação referente a vazão zero diminui com aumento da viscosidade. As teorias relacionadas à operação de bombas centrífugas com fluidos viscosos consideram que a elevação do ponto de shut-off é constante e independente da viscosidade do fluido. A medição do desempenho da bomba operando com fluido viscoso na condição de shut-off é dificultada pelo rápido aquecimento do fluido. A aquisição dos dados nessa condição operacional deve ser feita rapidamente, pois a energia dissipada pela bomba aquece o fluido, reduzindo sua viscosidade. Isso contribui para o aumento da incerteza da medição.

As curvas de elevação, potência e eficiência da BCS GN5200 operando com fluido viscoso, na rotação de 1800 rpm, são apresentadas na Figura 4.36, Figura 4.37 e Figura 4.38.

As curvas de elevação, potência e eficiência da BCS GN5200 operando com fluido viscoso, na rotação de 2400 rpm, são apresentadas na Figura 4.39, Figura 4.40 e Figura 4.41.

As curvas de elevação, potência e eficiência da BCS GN5200 operando com fluido viscoso, na rotação de 3000 rpm, são apresentadas na Figura 4.42, Figura 4.43 e Figura 4.44.

As curvas de elevação, potência e eficiência da BCS GN5200 operando com fluido viscoso, na rotação de 3500 rpm, são apresentadas na Figura 4.45, Figura 4.46 e Figura 4.47.

Figura 4.36 – Curva de elevação da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 1800 rpm.

Figura 4.37 – Curva de potência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 1800 rpm.

Figura 4.38 – Curva de eficiência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 1800 rpm.

Figura 4.39 – Curva de elevação da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 2400 rpm.

Figura 4.40 – Curva de potência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 2400 rpm.

Figura 4.41 – Curva de eficiência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 2400 rpm.

Figura 4.42 – Curva de elevação da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 3000 rpm.

Figura 4.43 – Curva de potência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 3000 rpm.

Figura 4.44 – Curva de eficiência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 3000 rpm.

Figura 4.45 – Curva de elevação da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 3500 rpm.

Figura 4.46 – Curva de potência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 3500 rpm.

Figura 4.47 – Curva de eficiência da BCS GN5200 operando em diferentes viscosidades a 3500 rpm.

Para as viscosidades em torno de 12 cP, em alguns pontos experimentais, a elevação fornecida pela BCS é maior que àquela observado na operação com água. Isso é possível devido à diminuição das perdas por vazamento no interior da bomba. A viscosidade do fluido atua vedando as folgas internas e, consequentemente, aumenta a eficiência volumétrica da bomba.

Com base nos resultados apresentados acima, verifica-se que o aumento da rotação diminui o efeito de degradação provocado pela viscosidade. Para a rotação de 1200 rpm e viscosidade 823 cP, a eficiência máxima é de, apenas, 2%. Na rotação de 3500 rpm e viscosidade de 836 cP, a eficiência máxima é de 14%. O mesmo efeito ocorre para viscosidade menores. Para a viscosidade de 76 cP a eficiência no BEP é de 22% e 40%, nas rotações de 1200 e 3500 rpm, respectivamente.

A Figura 4.48 e Figura 4.49 apresentam o incremento de pressão medido por estágio na BCS GN5200 operando a 1200 e 3500 rpm, respectivamente. Analisando-se esses resultados, verifica-se que o aumento da viscosidade faz com que a degradação do primeiro estágio diminuía em relação aos demais.

Na Figura 4.50 e Figura 4.51 são apresentados os incrementos de pressão no estator e impelidor do segundo estágio para as rotações de 1200 e 3500 rpm, respectivamente.

Figura 4.48 – Incremento de pressão por estágio da BCS GN5200 na rotação de 1200 rpm e viscosidades de 76, 356 e 1057 cP.

Figura 4.49 – Incremento de pressão por estágio da BCS GN5200 na rotação de 3500 rpm e viscosidades de 76, 352 e 832 cP.

Figura 4.50 – Incremento de pressão do estator e impelidor do segundo estágio BCS GN5200 na rotação de 1200 rpm e viscosidades de 76, 356 e 1057 cP.

Figura 4.51 – Incremento de pressão do estator e impelidor do segundo estágio BCS GN5200 na rotação de 3500 rpm e viscosidades de 76, 352 e 832 cP.

4.2.1.1 Aquecimento do Fluido Bombeado

Na operação de bombas centrífugas de múltiplos estágios com fluidos viscosos, o aquecimento do meio pode ser considerável, principalmente em baixas vazões. O aquecimento do fluido pode ser estimado considerando-se que toda a ineficiência da bomba seja convertida em calor, que é transferido ao fluido bombeado.

Aplicando-se o balanço de energia através da bomba e considerando-se escoamento adiabático, o ganho de temperatura teórico é dado por:

∆𝑇_{𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜}= (𝐵𝐻𝑃 − 𝑃ℎ) 𝑚̇_𝐿𝑐_𝑃 = ( 1 𝜂− 1) Δ𝑃𝐿 𝜌_𝐿𝑐_𝑃 (4.1)

onde 𝐵𝐻𝑃 é a potência consumida pela bomba, 𝑃_ℎ é a potência hidráulica fornecida ao fluido, 𝑚̇_𝐿 é a vazão mássica de fluido, 𝜂 é a eficiência da bomba, Δ𝑃 é a pressão gerada e 𝑐_𝑃 é o calor específico do fluido.

Nos testes realizados nesse trabalho, a BCS GN5200 foi revestida por meio de um isolante térmico, tornando coerente a consideração de escoamento adiabático.

O aquecimento do fluido bombeado, para todas as viscosidades da matriz de testes nas rotações de 2400, 3000 e 3500 rpm é apresentado na Figura 4.52, Figura 4.53 e Figura 4.54, respectivamente. Nessas figuras a linha contínua indica o erro zero entre o valor medido experimentalmente e o calculado pela Equação (4.1), enquanto as linhas tracejadas expressam os limites de ±20%. Os pontos obtidos experimentalmente são acompanhados das barras de incerteza calculadas para a variável Δ𝑇𝑒𝑥𝑝 = 𝑇𝑠− 𝑇𝑒.

Analisando-se essas figuras, é possível verificar uma boa concordância entre o aquecimento medido experimentalmente e o calculado pela Equação (4.1). Porém, em aplicações em campo, a estimativa do aquecimento do fluido bombeado é dificultada devido ao fato de a bomba ficar imersa no fluido produzido. Portanto, não é possível assumir escoamento adiabático, sendo necessário considerar a troca térmica da bomba com o fluido do poço.

O aquecimento estágio a estágio reduz gradualmente a viscosidade do fluido, melhorando o desempenho dos estágios finais da bomba. Portanto, em bombas com algumas dezenas ou centenas de estágios, a análise do ganho de temperatura torna-se relevante no dimensionamento do equipamento.

Figura 4.52 – Aquecimento do fluido de trabalho através da BCS GN5200, operando a 2400 rpm.