Instrumentação em escoamentos multifásicos

(1)

Instrumentação em escoamentos

multifásicos

Marco Jose da Silva

mdasilva@utfpr.edu.br

• Conceitos Básicos

• Medição da fração de vazio

• Pontual, média seção transversal e média volumétrica

• Técnicas ópticas

• Técnicas ultrassônicas

• Métodos tomográficos

Agenda

(2)

NUEM/UTFPR y Marco Jose Da Silva y mdasilva@utfpr.edu.br y Slide 3

Escoamento multifásico é ...

... passagem simultânea de duas ou mais substâncias distintas e imiscíveis

as quais apresentam interfaces.

Interfaces:

salto (descontinuidade) de uma propriedade física.

gas

liquido

particula

flow

Motivação

Importância das técnicas de medição

Controle e monitoração de processos

Análise de comportamento do escoamento em plantas piloto

Auxílio no desenvolvimento de modelos

Validação de previsões dadas por simulações

Requerimentos

Diferenciação de fases

Alta resolução espacial

Alta resolução temporal

Não intrusivo

Baixo Custo

(3)

Pressão p

Temperatura T

Velocidade v

Vazão vol.

Vazão massica

V

m

Medição – monofásico

Motivação

adicionalmente:

• Fração de fase (D)

• Densidade de área interfacial (F)

• Concentração de bolha/partícula

• Distribuição de tamanho de bolha/partícula

• Coeficiente de transferência de calor, massa e momento

Pressão p

Temperatura T

_i

Velocidade v

_i

Vazão vol.

Vazão mássica

i

V

i

m

Medição - multifásico

Motivação

(4)

Classificação das técnicas de medição

Quanto a princípio de medição

• Impedância

• Acústico

• Óptico

• Nuclear

Quanto a grandeza medida

• Fração de vazio

• Velocidade

• Temperatura

• ...

Processo de médias – processo estocástico

média conjunto (ensemble average)

média temporal

Se processo for estacionário e

=> processo ergódico

Processo estacionário => média de conjunto não varia com tempo

Processos ergódicos constituem uma importante classe de processos aleatórios.

Todas as propriedades de um processo ergódico pode ser determinadas por meio

M

C

1 _M

1

1 x t ,

lim

x t ,

M

_P

P

of

¦

r

1

t

T

1 t

t

1 x t,

lim

x t , dt

t

P

'

' of

'

³

r

T

1

2 M

x

... x

(5)

Função indicadora de fase

,

1 se

fase

0 se

fase

k

X

t

k

£

¦¦

¤

_¦

¦¥

r

P

G

(x)

Definições de fração de vazio

(6)

Definições de fração de vazio

Técnicas de medição de fração de vazio

• Locais X

_G

• Média linha (R

_G1

)

• Médias na seção (R

_G2

)

(7)

Sondas de contato

Baseada em impedancia elétrica

http://herve.lemonnier.sci.free.fr/

Sondas de contato

(8)

Sondas de contato

Medição simultânea R e C

Sondas de contato

Otica

(9)

Sondas de contato

Otica

(10)

G G G L

T

B

x

Processamento de sinais

Sondas de contato

http://www.hzdr.de/pls/rois/Cms?pOid=11943&pNid=370

Sonda de contato: determinação da velocidade

Bolha move-se paralela ao eixo da

sonda

Bolha move-se em uma trajetoria

inclinada

Princípio de medição

Tempo de trânsito entre as duas pontas

Problemas

ângulos de incidência das bolhas

deformação da bolha

(11)

Sondas de contato: multiplas pontas

Medição área interfacial

Atenuação de fótons

x-ray, gamma, neutron

(12)

Atenuação de fótons

(13)

Sondas de impedância

2 f

G

R

Z

Resistencia (Condutancia)

Capacitancia

Necessidade de

calibração

Sondas de impedância (Z)

(14)

Calibração estática: estratificado

(15)

Medição R

_G2

: exemplo de dados

Costigan & Whalley 1997 Int J Multiph Flow 23 263-282

(16)

Técnicas ópticas

• Filmagem alta-velocidade

• PIV

• LIF

(17)

JL = 0,5 m/s JG = 0,3 m/s

JL = 0,5 m/s JG = 2,0 m/s

JL = 1,3 m/s JG = 1,0 m/s

JL = 2,0 m/s JG = 0,3 m/s

JL = 4,0 m/s JG = 2,0 m/s

JL = 2,0 m/s JG = 2,0 m/s

Videometria de alta velocidade

(18)

Particle image velocimetry

http://www.dantecdynamics.com

PIV & LIF

Problema:

Como distinguir entre traçadores e bolhas?

Solução:

LIF: uso de partículas traçadoras fluorescentes o diferentes

comprimentos de onda

O para separação das informações

(19)

PIV & LIF

Tecnicas Ultrassônicas

Tempo de trânsito

Ɣ Detecção de interface

Doppler

Ɣ Perfil de Velocidade

Análise da Energia

Ɣ Propriedades

físicas do meio

Ɣ Propriedades

físicas do refletor

(fração de vazio)

Ɣ Velocidade média

Ɣ Propriedades físicas

do meio

(20)

Exemplo: escoamento em golfadas

Tempo de trânsito (ƩT)

H

L

= Comprimento da Lâmina

d’água

H_L2 H_L1

Fração de vazio

Į = (H

L

-

ࢥ

)100/

ࢥ

ĭ=Comprimento do tubo

(21)

Exemplo: fração de vazio média

(22)

Exemplo: velocidade no pistão

(23)

Tomography: general principle

detector number project ion angle cross-sectional image image reconstruction data matrix

Hard-field Tomography

(24)

Gamma-ray CT

https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=12301&pNid=360

(25)

X-ray CT: example

https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=25280&pNid=360

X-ray CT: increasing speed

(26)

X-ray CT: increasing speed

http://www.uio.no/studier/emner/matnat/math/MEK4450/h11/undervisningsmateriale/modul-3/3phase%20X-ray%20tomograph_06.10.2011.pdf

(27)

NUEM/UTFPR y Marco Jose Da Silva y mdasilva@utfpr.edu.br y Slide 54 Electron gun Focussing coil Deflection coils Target X-ray detector

Moving X-ray spot

object

ROFEX: Rossendorf fast x-ray tomography

ROFEX: Hardware

• 1 mm spatial resolution

• 7000 fps temporal resolution

• objects up to 120 mm

(28)

Rising gas bubbles in

a bubble column

- Acrylic glass, 60 mm diameter - rising velocity 0.4m/s

low gas flow rate

high gas flow rate

ROFEX examples

Soft-field Tomography

(29)

Soft-field Tomography

d

A

C

_ij

H

1) Measure

the

electrical

capacitances

between

all

possible

combinations of electrodes

2) These inter-electrode capacitance changes are caused by

variations in the permittivity of the material inside the vessel:

C

23

2

3

1

4 C

12

C

14

C

34

C

13

C

24

H

- permittivity

A – area of electrode

d – distance between electrodes

K

S

C

C – matrix containing the normalized electrode-pair capacitances;

K – matrix containing the normalized pixel permittivity;

S – matrix containing the set of sensitivity matrices for each electrode-pair.

C

S

K

T

inverse problem

forward problem

Image Reconstruction

(30)

Soft-field Tomography - Results

True distribution

Reconstructed image

Typical Setup

(31)

Optical/Ultrasound Tomography

Wire-mesh sensor

Advantage: Direct and very fast measurement of phase

distribution in a whole flow cross-section.

Prasser et al. (1998) Flow Meas Instrum 9 111-119

(32)

Measuring principle

voltage t t

v(t)

i(t)

electrical current

R

-1

_{o N}

C

o

H

timing diagram

(33)

Air-water and air-oil flow scanned with a WMS

air-water

air-oil

flow

bubbly

slug

churn

J

_g

air-water

flow

air-oil

flow

Visualisation of flow patterns, J

_l

= 0.25 m/s

0.05 0.15 0.28 0.47 0.94 2.83 3.78 [m/s] 0.05 0.15 0.28 0.47 0.94 2.83 3.78

0.06 0.18 0.34 0.56 1.06 3.30 5.56 [m/s] 0.06 0.18 0.34 0.56 1.06 3.30 5.56

(34)

Technique

Spatial

Resolution

Temporal

Resolution

Costs

Obs.

Needle probes

(electrical, optical)

No

-Intrusive,

local measurement only

Ultrasound probes

No

-

.

Velocity measurement

(Doppler)

Optical

(PIV, LDA, videometry)

-

.

low gas fraction only,

optical access needed

Hard-field tomography

(x-ray, J-ray, PET, MRI)

-

/ /

*radiation protection

Soft-field

(EIT, ECT, ERT)

/

-nonlinear, ill-posed

inverse problem

Wire-mesh sensor

-

- -

intrusiv

Measurement of multiphase flows

Short literature survey

• Needle probes

• Jones & Delhaye (1976) Int J Multiph Flow 3 89-116

• Cartellier & Achard (1990) Rev Sci Instrum 62 279-303

• Cross-sectionally averaged

• Ceccio & George (1996) J Fluids Eng 118 391-399

• Tjugum et al. (2002) Nucl Instrum Meth B 197 301-309

• Optical methods

(PIV, LDA, videometry)

• Lage & Esposito (1999) Powder Technology 101 142–150.

• Adrian (1991) Annual Rev Fluid Mech 23 261–304

• Electrical impedance tomography

(ECT, ERT)

• York (2001) J Electronic Imag 10 608-619

• Yang & Peng (2003) Meas Sci Technol 14 R1-R13.

• X-ray and J-ray tomography

• Hervieu et al. (2002) Annals NY Acad Sci 972 87–94

• Johansen (2005) Nuclear Physics A 752 696c–705c

• Ultrasound/optical tomography

(35)

Considerações finais

• Técnicas de medição avançadas são necessárias para

extração de parâmetros do escoamento bifásico

• Revisão técnicas para medição da fração de vazio

• Escolha da técnica depende da aplicação

Pontos não abordados

• Velocimetria fio quente, PDA, PDPA, LDV, ...

• Ressonância magnética (imageamento, relaxometria)

• Sensores a fibra óptica

• ...

• Incerteza na medição

Instrumentação em escoamentos multifásicos