LEVANTAMENTO DO TAMANHO MÉDIO DE BOLHAS EM ESCOAMENTO BIFÁSICO VERTICAL POR TÉCNICA FOTOGRÁFICA

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1 LEVATAMETO DO TAMAHO MÉDIO DE BOLHAS EM ESCOAMETO BIFÁSICO VERTICAL POR TÉCICA FOTOGRÁFICA iomedes Schwamback, Carlos A. Lamy, Marcelo de S. Q. Bittencourt, Marcelo S. de Carvalho, Ricardo P. Peçanha 2 Instituto de Engenharia uclear/ie-ce Cidade Universitária, Ilha do Fundao - Via Rio de Janeiro, RJ, Brasil lamy@ien.gov.br 2 Departamento Engenharia Química, EQ/UFRJ RESUMO Para confirmar e validar códigos computacionais de escoamento de fluidos, importantes na segurança de reatores nucleares, é preciso que sejam realizadas medidas experimentais. Como a geração de vapor no fluido refrigerante diminui a eficiência de troca térmica a fração de vazio passa a ser um dos parâmetros mais importantes a ser obtido, e que, num escoamento vertical, pode ser conhecido através da quantidade de bolha e seu diâmetro médio. este trabalho foi determinado o tamanho médio de bolhas em água e soluções salinas, geradas num escoamento bifásico vertical, usando a técnica fotográfica digital. Foi também experimentada uma técnica ultra-sônica para a avaliação das bolhas. A fração de vazio variou de,3% a,4%. Os resultados obtidos pela técnica fotográfica mostraram medida de diâmetro médio de bolha com erro inferior a 7%. Os resultados da técnica ultra-sônica empregada mostraram boa correlação com aqueles obtidos pela fotográfica. Keywords: bubble size, two-phase flow, photographic technique. I. ITRODUÇÃO O conhecimento do tipo de escoamento de fluidos em sistemas bifásicos é extremamente importante, principalmente, para a segurança nuclear. O desenvolvimento do conceito de reatores nucleares avançados depende, em grande parte, do conhecimento por parte do projetista de informações disponíveis a respeito do escoamento do refrigerante do reator. Em relação a isto, a realização de medidas experimentais de escoamento de fluidos são necessárias para confirmar e validar códigos computacionais para segurança de reatores nucleares []. A geração de vapor no fluido refrigerante diminui sua eficiência térmica. Assim, a fração de vazio é um parâmetro que precisa ser conhecido [2]. O Instituto de Engenharia uclear (IE) em conjunto com o Programa de Mestrado em Tecnologia/CEFET-RJ, em projeto financiado pela Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), desenvolvem técnicas ultra-sônicas para avaliação de escoamentos bifásicos. A técnica ultra-sônica é não invasiva, isto é, não interfere no escoamento do fluido. Uma das metas deste projeto é obter por técnicas ultra-sônicas a fração de vazio (razão ar/água ou vapor/água) no fluido refrigerante de reatores nucleares, uma vez que esta permite a avaliação mesmo em tubulações não transparentes como as de aço. Além do trabalho aqui apresentado, dois outros trabalhos também vinculados a este projeto da AIEA, estão sendo apresentados neste congresso. Em um deles são mostrados os cálculos teóricos da capacidade do Circuito à água do IE para gerar padrões de escoamentos horizontais bifásicos água/ar (IE-Faccini et al), e outro, mostra uma técnica ultra-sônica de grande sensibilidade, usando o fenômeno do retroespalhamento, capaz de avaliar uma fração de vazio muito baixa (,2% a,6%) numa coluna d água com borbulhamento (CEFET-Motta et al). este projeto, pretende-se também, através de ondas ultrasônicas, dimensionar o tamanho de bolhas em escoamentos bifásicos. Para tanto, é necessário dispor de uma técnica capaz de calibrar a técnica ultra-sônica. Este trabalho apresenta o uso de uma técnica fotográfica digital para determinação do tamanho médio de bolhas em escoamento bifásico vertical. Foram quantificados o diâmetro médio de bolha e a retenção de gás (fração de vazio) num escoamento vertical num tubo transparente de vidro. As variáveis de operação estudadas foram as vazões de líquido (água e solução salina) e de gás. O diâmetro médio das bolhas foi obtido com técnica fotográfica digital posteriormente processada usando o software Image-Pro Plus 4. TM. Foram realizados testes ultra-sônicos utilizando a potência do sinal que retorna ao transdutor para avaliação do

2 tamanho médio de bolha. A fração de vazio variou de,3% a,4%. O presente trabalho determina experimentalmente dois parâmetros considerados fundamentais na fluidodinâmica de uma coluna de borbulhamento: a retenção gasosa e o diâmetro médio das bolhas. Esses parâmetros, na área engenharia química, permitem a determinação da área interfacial, importante no cálculo das taxas de transferência de calor e de massa entre as fases contínua e dispersa. Por este trabalho, foi possível concluir, entre outras coisas, que a metodologia empregada, baseada em softwares para tratamento das imagens obtidas pela câmera filmadora, é adequada para avaliar o tamanho das bolhas e a sua distribuição em escoamento vertical bifásico e, portanto, pode ser usada para calibrar a técnica ultra-sônica. Os resultados obtidos pela técnica fotográfica mostraram medida de diâmetro médio de bolha com erro inferior a 7%. Os resultados da técnica ultra-sônica empregada mostraram boa correlação com aqueles obtidos pela fotográfica. que permitiu filmar as bolhas em alta velocidade. O software da câmera foi programado para tirar 25 fotos por segundos com shutter de /25. a câmera utilizou-se uma lente AVITAR ZOOM 7. Dois softwares foram utilizados para o tratamento de imagem e a calibração do método de obtenção do diâmetro médio das bolhas. O Corel Draw 8 foi utilizado para gerar um contorno das bolhas definido e o Image-Pro Plus 4. TM para calcular as áreas das imagens das esferas de calibração e o diâmetro médio das bolhas. O software gera um centróide para a área plana em estudo e traça um grande número de segmentos de reta passando pelo centróide. O valor médio dos segmentos corresponde ao diâmetro médio de cada objeto em questão [3]. 5 3 II. METODOLOGIA Foi montado um sistema para escoamento vertical de líquidos com injeção de ar capaz de gerar tipos de escoamentos bifásicos diferentes que originaram, tanto em água pura quanto em solução salina, quantidades e tamanhos de bolhas distintos (Fig. ). Todas as condições geradas foram avaliadas fotograficamente. Para geração de bolhas foi utilizado o sistema ejetor em acrílico de geometria variável, cujo fluido motriz foi água. A vazão do ar foi medida por um rotâmetro Omel, calibrado com ar a 3 o C e pressão de atm. O sistema permite um ajuste fino da vazão de ar admitido por uma válvula agulha (5), conforme Fig.. A vazão mássica da água foi determinada utilizandose uma balança Marte, modelo A5 com precisão de uma casa decimal e um cronômetro digital Technos. A partir da densidade da água a 3 o C calculou-se a vazão volumétrica. A retenção de gás (fração de vazio) foi medida fechando-se simultaneamente as válvulas () e (2) de alimentação de líquido e de gás respectivamente, e a válvula (3) na saída da coluna conforme Fig.. Completando-se com água o volume vazio da coluna, foi determinada a retenção de gás, através da massa de água acrescida. A coluna utilizada tem um diâmetro interno de 52±,2 mm e comprimento igual 3cm. O sistema era inicialmente estabilizado ligando a bomba centrífuga por um minuto, até que a água ficasse saturada com ar dissolvido. A posição da câmera foi a mesma para todas as medidas. Manteve-se uma distância de 8 cm da lente à coluna, como está mostrado na foto da Fig.. Para digitalizar as imagens das bolhas no escoamento bifásico vertical utilizou-se uma câmera filmadora RedLake- MotionScope TM, adquirida pelo projeto AIEA BRA/8/27, 4 2 Figura. Montagem Experimental: (, 2 e 3 Válvulas de Fechamento Rápido; 4 Rotâmetros; 5 Válvulas de Agulha; 6 Câmera Filmadora; 7 Microcomputador). Devido à curvatura da superfície cilíndrica do tubo vertical de vidro e às sucessivas refrações sofridas pelos raios luminosos provenientes das bolhas, as imagens registradas pela câmera filmadora são distorcidas em relação ao tamanho real das bolhas. Para avaliar a distorção sofrida foi utilizada uma esfera de aço D = 3,76±,2 mm. A esfera foi fotografada dentro do tubo, submersa em água, e fora dela conforme mostra a Fig. 2. ote-se que em ambos os casos fez-se uso de uma escala de comprimentos (3x3 mm) auxiliar. Assim, o software Image-Pro foi calibrado para correção das áreas das imagens registradas das bolhas e dos seus correspondentes diâmetros. 6 7

3 TABELA. Condições e Resultados Obtidos Fotograficamente para o Escoamento Água/Ar a 3 o C Figura 2. Foto : Esfera de Aço de 3,76±,2 mm de Diâmetro fora da Coluna. Foto 2: mostra a Distorção Visual da Mesma Esfera de Aço Quando Dentro da Coluna com Água; a Escala de Área Aparece Logo Abaixo da Esfera. As medidas ultra-sônicas foram feitas neste mesmo sistema acoplando o transdutor ultra-sônico ao tubo vertical transparente na mesma posição onde foram obtidas as fotos. Foi empregada a técnica pulso-eco sendo o sinal ultrasônico de retorno processado. O sistema ultra-sônico é composto de um gerador de pulsos Krautkrämer, um osciloscópio Tektronix de MHz, um computador para a aquisição do sinal e um transdutor ultra-sônico Krautkrämer de onda longitudinal de 5 MHz [4]. Foi avaliado por ultra-som o escoamento bifásico com solução salina. Foram gerados escoamentos com 5 vazões de ar diferentes: vazão de ar zero, 27 l/h, 6 l/h, 2 l/h e 8 l/h. Cada uma dessas condições produziam diferentes quantidades e tamanhos de bolhas no escoamento vertical. Para cada condição de vazão de ar foram adquiridos sinais ultra-sônicos. Para a análise do sinal ultra-sônico foi usada a expressão matemática abaixo que representa a potência do sinal ultra-sônico [5]. P = Foto Foto 2 i= ( a ) i R 2 Onde: a Amplitude média do sinal ultra-sônico [Volt] P Potência do sinal ultra-sônico [Watt] úmero de sinais ultra-sônicos adquiridos R Resistência (Ω). III. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos com escoamento de água e solução salina são mostrados nas Tabelas e 2 respectivamente. São mostrados os valores dos diâmetros médios e das razões ar/água determinados para cada condição experimental. É importante observar que as vazões de água não são constantes, uma vez que é utilizada uma bomba centrífuga que varia de vazão com a vazão de ar. A bomba adapta-se automaticamente fornecendo uma nova vazão de água para o sistema. De uma forma geral a vazão de líquido oscilou em torno de 66 l/h. () Q L (cm 3 /s) Q G /Q L å G (%) D b (mm) s ( ) b 2,4,36 2,7,32, ,8,88 3,8,45, ,,85 6,,6, ,5,285 8,,88, ,6,389,2 2,3, ,5,34,3,24, ,,79 2,5,54, ,9,64 4,5,83, ,,259 6,8 2,9, ,5,356 9,2 2,48,55 7 TABELA 2. Condições e Resultados Obtidos Fotograficamente para o Escoamento Solução Salina de Cloreto de Sódio (5,8g/l)/Ar a 3 o C Q L (cm 3 /s) Q G /Q L å G (%) D b (mm) s ( ) b 2,4,36,8,66, ,8,9 4,4,83, ,,9 7,3,88, ,,29,4,97, ,,34 2,,63, ,,82 4,4,8, ,,72 7,9,88, ,9,265,3,5,23 8 as Tabelas e 2, corresponde ao número da foto realizada, Q L é a vazão de líquido, Q G /Q L é a razão vazão de ar sobre vazão de líquido, å G é a fração de vazio, D b é o diâmetro médio das bolhas, σ é o desvio padrão do diâmetro médio das bolhas, b é o número de bolhas medidas. a Fig. 3 são mostradas as fotos do escoamento vertical bifásico da solução salina nas condições em que foram obtidos os sinais ultra-sônicos. As Tabelas e 2 mostram os resultados obtidos pela técnica fotográfica para as diferentes condições de vazão de líquido e ar,. Os números 5, 6, 7 e 8 da tabela 2 (solução salina) correspondem as condições examinadas por ultra-som.

4 a Fig. 4 é apresentado o histograma da potência do sinal ultra-sônico gerada pelo retorno da onda após atravessar as microbolhas do escoamento vertical bifásico de solução salina/ar. A seguir as Fig. 5 e 6 mostram a boa relação entre a potência do sinal ultra-sônico e as variáveis diâmetro médio das bolhas e a fração de vazio, respectivamente.,75 Foto Potência do Sinal Ultra-Sônico [w],7,65,6,55,5,45,4,35,556,63 6,67 7,77,7 S S2 S6 S2 S8 Figura 4. Histograma da Potência do Sinal Ultra-sônico. Foto 2 Foto 3 Potência do Sinal Ultra-sônico [W],74,72,7,68,66,64,62,6,65,7,75,8,85,9,95,5, Diâmetro Médio de Bolhas [mm] Figura 5. Relação entre a Potência do Sinal Ultra-sônico e o Diâmetro Médio de Bolhas. Foto 4 Figura 3. Tamanhos de Bolha (D b ),63;,8;,88;,5mm que Correspondem a Igual a 5, 6, 7 e 8 da Tabela 2, Respectivamente. Potência do Sinal Ultra-sônico [W],75,7,65,6,55,5, Fração de Vazios [%] Figura 6. Relação entre a Potência do Sinal Ultra-sônico e a Fração de Vazio.

5 IV. COCLUSÕES Com base nos dados experimentais obtidos pode-se concluir que: A metodologia empregada, baseada em softwares para tratamento das imagens obtidas pela câmera filmadora, é adequada à quantificação do tamanho individual de bolhas e a sua distribuição de tamanhos em escoamentos verticais bifásicos; o desvio médio foi de aproximadamente 7%. A potência do sinal ultra-sônico pode ser uma boa técnica não destrutiva e não invasiva para determinar a fração de vazio e o diâmetro médio de bolhas para um escoamento vertical bifásico. reactors safety. The steam generation in the reactor cooling flow reduces the heat transfer efficiency. Then the void fraction is one of the most important parameters to be obtained, and in a vertical flow it can be known through the amount of bubble and its average diameter. In this work it was determined the average size and the amount of the bubbles in a water and a saline solutions flowing in a vertical transparent tube, using a digital photographic technique. It was also applied an ultrasonic technique to evaluate the bubbles. The void fraction varied from,3% to,4%. The results obtained by the photographic technique show that the error of the measurement of the average diameter of bubble is less than 7%. The results of the ultrasonic technique showed good correlation with those obtained by the photographic. AGRADECIMETOS Os autores agradecem o apoio financeiro da Agência Internacional de Energia Atômica na aquisição de equipamentos e nos contatos com especialistas estrangeiros da área. São gratos também a Divisão de Informática do IE pelo apoio técnico, e em especial aos profissionais Daniel Martorelli (IE), Paulo Ramos (IE), Flávia Puget (UFRJ), Antonio Geraldo (IE), Maurício Motta (CEFET- RJ), Leandro Mello (CEFET-RJ). REFERÊCIAS [] Faccini, J. L. H.; Pio, R. R.; Lamy, C. A.; Bittencourt, M.S.Q., Sistema para Medição de Velocidades de Escoamentos através de Ondas Ultra-Sônicas, Joint uclear Conferences, XI EFIR/IV EA, Poços de Caldas, MG, agosto de 997. [2] Chang, J. S.; Morala, E. C., Determination of Two- Phase Interfacial Areas by an Ultrasonic Technique, uclear Engineering and Design, 22, 43-56,99. [3] Schwamback,., Carvalho, M. S., Peçanha, R. P., Uso de Técnica Fotográfica Digital na Caracterizaçao do Tamanho de Bolhas em Sistema Dispersor com Ejetor, Anais do EEMP, 22. [4] Bittencourt, M. S. Q., Lamy, C. A. e Payão, J. C., Utilização de um Sistema Ultra-Sônico para Medida de Tensão, IE-7, Instituto de Engenharia uclear, R. J., Julho 996. [5] Oppenheim, A. V., Schafer, R. W., Digital Signal Processing, Prentice Hall, ew Jersey, 975. ABSTRACT The experimental measurements of fluid flows to confirm the theoretical predictions and to validate computational codes is extremely important to nuclear