UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE MÉTODO NÃO-INTRUSIVO PARA A DETECÇÃO DA INTERFACE LIQUIDO-VAPOR DE ESCOAMENTOS BIFASICOS ESTRATIFICADO por Felipe M. Walther Juliana B. Guimarães Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider Porto Alegre, Junho de 2009

2 RESUMO Neste trabalho é reproduzido o método não-intrusivo criado por Unsebacher et al [1] para a detecção da interface líquido-vapor em escoamentos bifásicos estratificados. Posteriormente é calculado a fração de volume de vapor e o ângulo seco. Este método é baseado na aquisição da imagem de uma seção transversal de um tubo circular de vidro iluminada por um plano de laser. A imagem original é distorcida por difração nas paredes do tubo, então é necessário fazer uma reconstrução da imagem através de um computador. O método foi aplicado a uma seção de um tubo de vidro de 19 mm de diâmetro externo com 1,8 mm de espessura de parede. Para reproduzir um escoamento bifásico, foi utilizado como líquido a glicerina com partículas de polipropileno como partícula fluorescente e ar para a fase gasosa. O método mostrou ter um bom funcionamento, e reproduziu resultados sem muita precisão neste caso. Para melhorar a precisão deve se desenvolver e melhorar a qualidade das ferramentas utilizadas. 2

3 ABSTRACT In this work the non intrusive method developed by Unsebacher et al [1] to detect the vapour liquid interface in stratified two-phase flows is reproduced. Later the void fraction and the dry angle are calculated. This method is based in the image acquisition of the transversal section from a circular tube made of glass, which is illuminated by a laser sheet. The original image is distorted by refraction in the tube walls, so it is necessary to reconstruct the image by a computer. The method was applied in a section from a 19 mm glass tube, with 1,8 mm of wall thickness. To reproduce the two phase flow, it was used glycerine as the liquid and air as the gas phase. The glycerine had polypropylene particles as fluorescent substance. The method showed a good behaviour, and the results had not much precision in this case. To improve the results, it is necessary to develop and improve the quality of the tools used. 3

4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA TÉCNICAS EXPERIMENTAIS RESULTADOS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

5 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS E LISTA DE SÍMBOLOS ε Fração de volume de vapor [adim] θ Ângulo seco do escoamento [ ] β Ângulo da câmera [ ] 5

6 1. INTRODUÇÃO No projeto de condensadores é fundamental o conhecimento do coeficiente de troca de calor para a determinação da transferência de calor que está ocorrendo. Este coeficiente pode ser influenciado por diversos fatores, sendo que um de grande influência é estrutura do escoamento do fluido em condensação no interior da tubulação. Por isso a determinação das características do escoamento interno da tubulação é de grande importância. Esse escoamento se caracteriza pela presença da fase líquida e gasosa escoando simultaneamente. Os coeficientes de trocas de calor são fortemente influenciados pela distribuição de vapor e líquido no interior do tubo. Dois parâmetros fundamentais na caracterização do escoamento é a fração de volume ocupada pela fase gasosa e os perímetros do tubo onde tem líquido ou vapor em contato com a parede. A literatura apresenta diversos métodos para a medição desses parâmetros com boa acuracidade. Um deles é o método não-intrusivo desenvolvido por Unsenbacher et al [1], onde uma seção da tubulação feita de vidro é incidida por um laser e gerando uma imagem que é capturada por uma câmera. Essa imagem é posteriormente tratada e processada, para obter os parâmetros em questão. Neste trabalho tentou-se reproduzir este método com as ferramentas disponíveis, evidenciando todas as dificuldades encontradas. 6

7 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O escoamento interno de tubos horizontais de condensadores é caracterizado pela presença simultânea de duas fases (líquido e vapor) e pode assumir diferentes estruturas segundo Thome [3], representadas na Figura 1 abaixo. A forma do escoamento influencia diretamente o coeficiente global de troca de calor para o meio externo do tubo, por isso é de grande importância o conhecimento detalhado desde escoamento interno. Figura 1: Estruturas de escoamentos internos. Escoamentos anular e estratificados. (Fonte: Usenbacher et al, 2004) Escoamento estratificado que nos interessa é caracterizado pelo o escoamento da fase líquida na parte inferior do tubo e o escoamento da fase gasosa na parte superior, formando uma interface entre as duas fases do fluído. Dois parâmetros caracterizam diretamente este tipo de escoamento. O mais importante deles é a fração de volume ocupada pelo vapor (ε) em uma seção transversal, que é definido pela razão entre a área ocupada pelo vapor dividida pela área transversal total. Ele é um parâmetro chave para definir outros parâmetros do escoamento, como queda de pressão, transferência de calor e transição na estrutura do escoamento. O outro parâmetro é o ângulo θ que delimita o perímetro seco (perímetro aonde temos a fase gasosa em contato com a parede do tubo) e molhado (perímetro de líquido em contato com a parede) do escoamento. De acordo com Thome [3], durante a condensação no interior do tubo existem diferentes mecanismos de transferência de calor para cada perímetro do tubo. No perímetro seco temos uma maior troca devido à condensação do vapor (i.e. troca de calor latente), enquanto na 7

8 região molhada temos uma troca muito inferior. Por isso a determinação desses parâmetros é necessária para podermos determinar o coeficiente de transferência de calor global do tubo. Atualmente existem diversos modelos analíticos ou empíricos para o cálculo da fração de vapor numa seção transversal de um tubo. Um dos mais conhecidos é o modelo homogêneo que considera que as duas fases do escoamento possuem a mesma velocidade. Em outros modelos mais complexos é levada em conta a diferença de velocidades entre as duas fases. Numerosos métodos foram desenvolvidos nos últimos anos para a medição experimental da fração de vapor em escoamentos de bifásicos, como sensores de resistência (Krepper et al.,1999), sensor capacitivos ou condutivos (Costigan and Whalley, 1996), sondas refrativas de fibra óptica (Cartellier, 1996) técnicas de atenuação da radiação (Kendoush and Sarkis, 2002), tomografia ultra-sônica (Xu and Xu, 1997), etc. Com métodos intrusivos, todos os tipo de sensor e sondas perturbam o escoamento a induzem o erro na identificação da interface líquido-vapor. Métodos não intrusivos, como métodos com técnicas usando radiação e medição de condutância, resultam em valores médios de fração de vapor da seção transversal. Usando esses métodos, não podemos determinar nem o ângulo seco ou a forma da interface entre gás e líquido. Um método não intrusivo desenvolvido por Unsenbacher et al [1] obteve grande êxito na medição da fração de volume de vapor e o ângulo seco na seção transversal de um tubo. Neste experimento de Unsenbacher, um tubo de vidro foi instalado no final de um trocador de calor. O esquema experimental utilizado está mostrado na Figura 2. Um plano de laser é utilizado para iluminar uma seção transversal do tubo com o fluido e a imagem é gravada com uma câmera digital posicionada acima do tubo com um ângulo de 40 em relação ao eixo do tubo. Figura 2: Ilustração do esquema experimental. (Fonte: Usenbacher et al, 2004) 8

9 A imagem obtida que representa a seção transversal do tubo com escoamento bifásico, é distorcida por refração da luz através das superfícies interna e externa do tubo de vidro. Então, para poder fazer o cálculo correto da fração de volume de vapor, é necessário reconstruir a imagem para obter a seção transversal não deformada. Essa reconstrução é baseada na distorção de uma malha regular colocada dentro do tubo no mesmo plano do laser antes das medições sem nenhum líquido no interior do tubo. O processo consiste de obter uma função de transformação, que aplicada na imagem da malha distorcida resultaria na imagem da malha sem distorção. Posteriormente essa função é aplicada nas imagens obtidas do escoamento bifásico (Unsenbacher et al, 2004). Figura 3: À esquerda temos a imagem distorcida e a direita temos a imagem reconstruída. (Fonte: Usenbacher et al, 2004) Por causa da transparência do fluido, a luz do laser é absorvida por ele e não temos nenhuma luminescência na seção transversal. Por isso é necessário adicionar de uma substância fluorescente na fase líquida para obter uma luminosidade na seção transversal. Deve-se colocar a quantidade mínima necessária para obter a imagem, afim de não influenciar o escoamento a ser estudado. 9

10 3. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS A idéia inicial era aplicar este método a uma seção de uma tubulação do condensador de um pequeno ciclo de refrigeração contendo R-12 como fluido refrigerante. Mas antes de se fazer diretamente a aplicação do método proposto a tubulação do condensador, foi aplicada apenas a um tubo isolado, afim de melhor entender os mecanismos envolvidos no processo e calibrar as ferramentas utilizadas. Para isso foi utilizado um tubo de vidro com 200 mm de comprimento e 19 mm de diâmetro externo. A parede do tubo possuía 1,8 mm. Essa dimensão foi escolhida devida a possibilidade de posteriormente acoplar esta seção do tubo ao condensador. O fluido utilizado foi glicerina misturada com partículas de polipropileno como substância fluorescente. A escolha desse fluido foi devido a disponibilidade no laboratório. Este tubo foi colocado sobre um apoio, afim deixá-lo na posição horizontal. Um feixe de laser foi incidido perpendicularmente sobre uma lente cilíndrica para gerar um plano, foi posicionado para que o plano gerado pelo laser fosse perpendicular ao eixo do tubo. Para capturar a imagem, uma câmera apoiada em um tripé foi posicionada acima do tubo com um ângulo β em relação ao eixo do tubo. Foi utilizada uma câmera digital onde era possível modificar a abertura do diafragma, velocidade de fechamento e sensibilidade do filme. A Figura 4 mostra o suporte construído para apoiar o tubo durante o experimento e Figura 5 a bancada experimental utilizada. Figura 4: Suporte para o tubo 10

11 Laser Lente Cilíndrica Tubo Posição da Câmera Figura 5: Bancada experimental 11

12 4. RESULTADOS Para testar e validar o método foram colocadas frações volumétricas de liquido no tubo iguais a 10%, 25%, 50% e 75%. A maior dificuldade enfrentada foi a aquisição de imagem pela câmera digital. Com a incidência do laser sobre o tubo temos uma grande reflexão de luz na parte superior do tubo e depois na interface do líquido. Já a região interna do líquido e a parte inferior do tubo ficam com uma reflexão muito baixa. Assim temos duas regiões com luminosidades bem distintas, uma região de alta luminosidade no tubo e na interface, enquanto a região interna do liquido e inferior do tubo fica com luminosidade bem baixa. Isso gera um desafio para a aquisição da imagem. Se aumentarmos a exposição da foto, conseguimos captar a região de baixa luminosidade, mas a região de alta luminosidade fica com super exposição, resultando numa imagem de difícil interpretação. Com uma exposição menor, conseguimos captar com uma boa exposição à parte de alta luminosidade, enquanto a de baixa fica imperceptível. No final optou-se por uma não tão alta exposição, para poder captar o contorno da interface e da parte superior do tubo, assim delimitar o espaço ocupado pela região sem líquido. Em relação ao ângulo β da câmera em relação ao eixo do tubo, ele foi variado entre 30 e 45, não gerando grandes modificações na imagem. Por isso foi escolhido o ângulo de 35 para a aquisição das imagens. A concentração de polipropileno na glicerina teve pouca influência, mesmo colocando grandes quantidades, não aumentou muito a luminosidade na região interior ao liquido, só melhorou um pouco a visualização da interface. Abaixo na Figura 6 temos a imagem para uma fração de volume de 50%. Podemos ver claramente nessa imagem os contornos da parte superior do tubo e a interface entre a região líquida e gasosa. Na Figura 7 temos a imagem para uma fração de 75% de volume. Figura 6: Imagem captada para uma fração de volume de 50% 12

13 Figura 7: Imagem captada para uma fração de volume de 75% Com as frações de líquido de 10 e 25% foram as que deram as piores visualizações da interface liquida-vapor. Podemos ver abaixo na Figura 8 a imagem da fração de 25% de líquido no volume, vemos claramente que fica mais difícil determinar precisamente a localização da interface. Figura 8: Imagem captada para uma fração de volume de 25% 13

14 Posteriormente, as imagens de 50% e 75% foram processadas no software Photoshop. A imagem foi separada em duas regiões, a região interna aos contornos obtidos foi preenchida com cor branca e a região externa com cor preta. O resultado obtido para a fração de 50% está representado na Figura 9. Vale lembrar que as operações realizadas no Photoshop tiveram aproximações, comprometendo a precisão do método. Deveriam ser desenvolvidas ferramentas com maior precisão para o tratamento da imagem. Figura 9: Imagem depois de separada em duas regiões Agora temos uma imagem ainda distorcida pela difração nas paredes do tubo, onde a região branca representa a área ocupada pela fase gasosa (neste caso ocupado pelo ar). Para podermos reconstruir a imagem sem distorção, foi utilizada a técnica proposta por Usenbacher descrita na seção anterior. No nosso caso foi colocada na extremidade do tubo uma grade com 15 linhas verticais e 15 horizontais, num circulo de 15,4 mm de diâmetro, que equivale ao diâmetro interno do nosso tubo. A partir dessa malha, foi obtida a imagem distorcida por difração no tubo. Posteriormente, utilizando novamente o software Photoshop, foi determinada através de funções pertencentes ao programa, uma seqüência de operações que transformaram a imagem da malha distorcida novamente na malha original. Essas operações serviriam para distorcer as imagens obtidas. Aplicando essas operações nas imagens obtidas para a fração de 50% e 75%, foram obtidas as seguintes imagens mostradas na Figura 10. A imagem da esquerda representa o caso de 50% de volume e da esquerda para 75% do volume. 14

15 Figura 10: Imagens após o processamento pelo Photoshop Podemos ver nos dois casos que as respostas não são muito precisas, mostrando que tem algum erro nas etapas do método. Para o primeiro caso que deveria dar 50%, temos apenas 40,7% de área ocupada pela região líquida. Já no caso que deveríamos obter 75%, obtemos apenas 68,7% de área ocupada pelo líquido. Erros também podem ter sidos ocasionados na medição do volume de líquido colocado no interior do tubo. Para isso foi utilizada uma seringa sem muita precisão e resolução apenas de 1 ml. 15

16 5. CONCLUSÕES Neste trabalho foi mostrado que é possível reproduzir com certas limitações o método nãointrusivo proposto por Ursenbacher et al [1] para a medição da fração de volume de vapor através da vista perpendicular do escoamento, mas existem grandes desafios na aplicação deste método devido a alta complexidade das ferramentas envolvidas. Com as ferramentas que dispúnhamos, chegamos a valores próximos do real, mostrando que com maior precisão e melhoria nas nossas ferramentas poderíamos chegar à melhores resultados. Teve-se maior dificuldade na aquisição das imagens com menores frações de líquido no tubo, enquanto se obteve melhores imagens quando a fração de líquido foi de 75%. Como foi falada no trabalho, a principal dificuldade foi a aquisição da imagem devido a diferença de luminosidade existente. Possivelmente uma câmera com maior qualidade e a utilização de filtros polarizadores poderia resolver esse problema. É necessária a utilização de uma substância fluorescente para poder determinar a interface líquido-vapor. Também deve ser desenvolvida uma ferramenta muito precisa para a reconstrução da imagem distorcida pela difração nas paredes do tubo. 16

17 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] T. Ursenbacher, L. Wojtan, J.R. Thome, Dynamic void fractions in stratified types of flow, part I: new optical measurement technique, Int. J. Multi-Phase Flow 30 (2004) [2] L.Wojtan, J.R. Thome, Dynamic void fractions in stratified types of flow, part II: measurements for R-22 and R-410, Int J. Multi-Phase Flow 30 (2004) [3] J. R. Thome, Update on advances in flow pattern based two-phase heat transfer models, Experimental Thermal and Fluid Science 29 (2005)