Instrumentação em escoamentos multifásicos
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- Leandro Carneiro
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1 Instrumentação em escoamentos multifásicos Marco Jose da Silva Agenda Conceitos Básicos Medição da fração de vazio Pontual, média seção transversal e média volumétrica Técnicas ópticas Técnicas ultrassônicas Métodos tomográficos NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 2
2 Motivação Escoamento multifásico é passagem simultânea de duas ou mais substâncias distintas e imiscíveis as quais apresentam interfaces. Interfaces: salto (descontinuidade) de uma propriedade física. flow gas liquido particula NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 3 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 Robusto (medição altas pressões e temperaturas) NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 4
3 Motivação Medição monofásico Vazão vol. Vazão massica V m Pressão p Temperatura T Velocidade v NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 5 Motivação Medição - multifásico Pressão p Temperatura T i Velocidade v i Vazão mássica Vazão vol. V i m i adicionalmente: Fração de fase ( ) Densidade de área interfacial ( ) Concentração de bolha/partícula Distribuição de tamanho de bolha/partícula Coeficiente de transferência de calor, massa e momento NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 6
4 Classificação das técnicas de medição Quanto a princípio de medição Impedância Acústico Óptico Nuclear Quanto a grandeza medida Fração de vazio Velocidade Temperatura... NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 7 Processo de médias processo estocástico M C x t 1, lim x t 1, M M 1 1 r r t1 t T 1 x t, r lim x t 1, dt t t r t 1 média conjunto (ensemble average) média temporal Processo estacionário => média de conjunto não varia com tempo Se processo for estacionário e x x... x T T T 1 2 M => processo ergódico Processos ergódicos constituem uma importante classe de processos aleatórios. Todas as propriedades de um processo ergódico pode ser determinadas por meio de uma média temporal de uma única função de amostragem. NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 9
5 Função indicadora de fase X k 1 se r fase r, t 0 se r fase k k P G (x) r NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 10 Definições de fração de vazio NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 11
6 Definições de fração de vazio NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 12 Técnicas de medição de fração de vazio Locais X G Média linha (R G1 ) Médias na seção (R G2 ) Volumétricas (R G3 ) NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 13
7 Sondas de contato Baseada em impedancia elétrica NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 14 Sondas de contato Baseada em impedancia elétrica NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 15
8 Sondas de contato Medição simultânea R e C NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 16 Sondas de contato Otica NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 17
9 Sondas de contato Otica NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 18 Sondas de contato NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 19
10 Sondas de contato Processamento de sinais G x T TG T T T G L NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 20 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 rebatimento/frenagem da bolha NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 21
11 Sondas de contato: multiplas pontas Medição área interfacial NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 22 Atenuação de fótons x-ray, gamma, neutron NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 23
12 Atenuação de fótons NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 24 Atenuação de fótons R G2 NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 25
13 Sondas de impedância NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 26 Sondas de impedância (Z) Resistencia (Condutancia) R G 2 f Z Necessidade de calibração Capacitancia NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 27
14 Calibração estática: estratificado NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 28 Medição R G2 : padroes de escoamento NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 29
15 Medição R G2 : exemplo de dados Costigan & Whalley 1997 Int J Multiph Flow NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 30 Fração volumétrica R G3 NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 31
16 Técnicas ópticas Filmagem alta-velocidade PIV LIF NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 32 Videometria de alta velocidade NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 33
17 Videometria de alta velocidade JL = 0,5 m/s JG = 0,3 m/s JL = 2,0 m/s JG = 0,3 m/s JL = 0,5 m/s JG = 2,0 m/s JL = 2,0 m/s JG = 2,0 m/s JL = 1,3 m/s JG = 1,0 m/s JL = 4,0 m/s JG = 2,0 m/s NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 34 Processamento de imagens NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 35
18 Particle image velocimetry NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 36 PIV & LIF Problema: Solução: Como distinguir entre traçadores e bolhas? LIF: uso de partículas traçadoras fluorescentes diferentes comprimentos de onda para separação das informações NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 37
19 PIV & LIF NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 38 Tecnicas Ultrassônicas Análise da Energia Propriedades físicas do meio Tempo de trânsito Detecção de interface Doppler Perfil de Velocidade Velocidade média Propriedades físicas do refletor (fração de vazio) Propriedades físicas do meio NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 39
20 Exemplo: escoamento em golfadas H L 2 H L 1 =Comprimento do tubo Tempo de trânsito ( T) H L = Comprimento da Lâmina d água Fração de vazio =(H L - )100/ NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 40 Exemplo: comparação técnicas NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 41
21 Exemplo: fração de vazio média NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 42 Exemplo: frequencia célula unitária NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 43
22 Exemplo: velocidade no pistão NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 44 Tomografia aplicada a escoamento bifásico NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 45
23 Tomography: general principle NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 46 Hard-field Tomography detector number data matrix projection angle image reconstruction cross-sectional image NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 47
24 Gamma-ray CT NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 48 Gamma-ray CT NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 49
25 X-ray CT: example NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 50 X-ray CT: increasing speed NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 51
26 X-ray CT: increasing speed NUEM/UTFPR y Marco Jose Da Silva y mdasilva@utfpr.edu.br y Slide 52 X-ray CT: increasing speed NUEM/UTFPR y Marco Jose Da Silva y mdasilva@utfpr.edu.br y Slide 53
27 ROFEX: Rossendorf fast x-ray tomography Electron gun Focussing coil Deflection coils Moving X-ray spot Target object X-ray detector ROFEX: Hardware NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 54 1 mm spatial resolution 7000 fps temporal resolution objects up to 120 mm Fischer et al. Meas Sci Technol (2008) NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 55
28 ROFEX examples low gas flow rate Rising gas bubbles in a bubble column high gas flow rate - Acrylic glass, 60 mm diameter - rising velocity 0.4m/s NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 56 Soft-field Tomography non-invasive / non-intrusive invasive / non-intrusive NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 57
29 Soft-field Tomography 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 ij A d 2 C 23 C 12 C permittivity A area of electrode d distance between electrodes C 34 C 13 C 14 4 NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 58 Electrical capacitance tomography Image Reconstruction C S K forward problem K S T 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 inverse problem NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 59
30 Soft-field Tomography - Results Typical Setup True distribution Reconstructed image NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 60 Soft-field Tomography - Comparison NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 61
31 Optical/Ultrasound Tomography NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 62 Wire-mesh sensor Prasser et al. (1998) Flow Meas Instrum Advantage: Direct and very fast measurement of phase distribution in a whole flow cross-section. Patents: US EP EP , US EP NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 63
32 Measuring principle voltage v(t) t electrical current t i(t) R -1 C NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 64 Capacitance wire-mesh sensor timing diagram NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 65 Da Silva et al. Meas Sci Technol (2007)
![56 [m/s] 0.](/docs-images/97/133158098/images/33-5.jpg "56 air-oil flow NUEM/UTFPR Marco")
33 Air-water and air-oil flow scanned with a WMS bubbly slug churn air-oil flow air-water NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 66 Visualisation of flow patterns, J l = 0.25 m/s air-water flow J g [m/s] [m/s] air-oil flow NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 67
34 Measurement of multiphase flows Technique Spatial Resolution Temporal Resolution Costs Obs. Needle probes No (electrical, optical) Ultrasound probes No Optical (PIV, LDA, videometry) Hard-field tomography (x-ray*, -ray*, PET, MRI) Soft-field (EIT, ECT, ERT) Intrusive, local measurement only Velocity measurement (Doppler) low gas fraction only, optical access needed *radiation protection nonlinear, ill-posed inverse problem Wire-mesh sensor intrusiv NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva Slide 68 Short literature survey Needle probes Jones & Delhaye (1976) Int J Multiph Flow Cartellier & Achard (1990) Rev Sci Instrum Cross-sectionally averaged Ceccio & George (1996) J Fluids Eng Tjugum et al. (2002) Nucl Instrum Meth B Optical methods (PIV, LDA, videometry) Lage & Esposito (1999) Powder Technology Adrian (1991) Annual Rev Fluid Mech Electrical impedance tomography (ECT, ERT) York (2001) J Electronic Imag Yang & Peng (2003) Meas Sci Technol 14 R1-R13. X-ray and -ray tomography Hervieu et al. (2002) Annals NY Acad Sci Johansen (2005) Nuclear Physics A c 705c Ultrasound/optical tomography Hoyle (1996) Meas Sci Technol Schleicher et al. (2008) Meas Sci Technol NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 69
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 NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 70 Considerações finais NUEM/UTFPR Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 71
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