Instrumentação aplicada a escoamento

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1 Instrumentação aplicada a escoamento bifásico Marco Jose da Silva mdasilva@utfpr.edu.br 27/10/2011 Agenda Conceitos Básicos Medição da fração de vazio Métodos tomográficos Medição de vazão multifásica CPGEI 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 CPGEI 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) CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 4

3 Motivação Medição monofásico Medição monofásico Vazão vol. Vazão massica V m Pressão p Temperatura T Velocidade v CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 5 Motivação Medição - multifásico 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 CPGEI 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... CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 7 Processo de médias processo estocástico Sejam x (t) realizações de um processo aleatório: CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 8

5 Processo de médias processo estocástico média conjunto (ensemble average) média temporal Processo estacionário => média de conjunto não varia com tempo Se processo for estacionário e => 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. CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 9 Função indicadora de fase X k ì 1 se r Î fase k ( r, t) = ï í ï 0 se r Ï fase k ïî P G (x) r CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 10

6 Operadores de média espacial temporal É possivel mostrar: Vazão volumétrica (no tempo) CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 11 Definições de fração de vazio CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 12

7 Definições de fração de vazio CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 13 Técnicas de medição de fração de vazio Locais (R G1 ) Médias na seção (R G2 ) Volumétricas (R G3 ) CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 14

8 Sondas de contato Baseada em impedancia elétrica CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 15 Sondas de contato Baseada em impedancia elétrica CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 16

9 Sondas de contato Medição simultânea R e C CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 17 Sondas de contato Otica CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 18

10 Sondas de contato Otica CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 19 Sondas de contato CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 20

11 Sondas de contato Processamento de sinais G a ( x) = = T TG T T + T G L CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 21 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 CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 22

12 Sondas de contato: multiplas pontas Medição área interfacial CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 23 Atenuação de fótons x-ray, gamma, neutron CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 24

13 Atenuação de fótons CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 25 Atenuação de fótons R G2 CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 26

14 Sondas de impedância CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 27 Sondas de impedância Resistencia (Condutancia) R G 2 = f ( Z) Necessidade de calibração Capacitancia CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 28

15 Calibração estática: estratificado CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 29 Medição R G2 : exemplo de dados Costigan & Whalley 1997 Int J Multiph Flow Movies CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 30

16 Medição R G2 : padroes de escoamento CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 31 Fração volumétrica R G3 CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 32

17 Técnicas ópticas Filmagem alta-velocidade PIV LIF CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 33 Videometria de alta velocidade CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 34

18 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 CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 35 Processamento de imagens CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 36

19 Particle image velocimetry CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 37 PIV & LIF CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 38

20 PIV & LIF CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 39 Tomografia aplicada a escoamento bifásico CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 40

21 Tomography: general principle CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 41 Hard-field Tomography detector number data matrix projection angle image reconstruction cross-sectional image CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 42

22 Hard-field Tomography CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 43 ROFEX: Rossendorf fast x-ray tomography Electron gun Focussing coil Deflection coils Moving X-ray spot Target object X-ray detector CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 44

23 ROFEX: Hardware 1 mm spatial resolution 7000 fps temporal resolution objects up to 120 mm Fischer et al. Meas Sci Technol (2008) CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 45 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 CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 46

24 Soft-field Tomography non-invasive / non-intrusive invasive / non-intrusive CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 47 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 CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 48

25 Electrical capacitance tomography sensor measurement system control and reconstruction 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 CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 49 Soft-field Tomography - Results Typical Setup True distribution Reconstructed image CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 50

26 Soft-field Tomography - Comparison CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 51 Optical/Ultrasound Tomography CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 52

27 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. CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 53 Measuring principle voltage v(t) t electrical current t i(t) R -1 C CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 54

28 Capacitance wire-mesh sensor timing diagram CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 55 Da Silva et al. Meas Sci Technol (2007) Air-water and air-oil flow scanned with a WMS bubbly slug churn air-oil flow air-water CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 56

29 Visualisation of flow patterns, J l = 0.25 m/s air-water flow J g [m/s] [m/s] air-oil flow CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 57 Oil-water measurements: results oil-in-water homogeneous dispersion j water :2.5 m/s, j oil : 0.8 m/s oil-in-water non-homogeneous dispersion j water :1.5 m/s, j oil : 0.8 m/s oil-in-water & water-in-oil dispersions stratified flow j water :1.0 m/s, j oil : 0.8 m/s oil-cut CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 58

30 Wire mesh sensors state of the art = 200 mm 2 x 64 wires (100 µm) = 8 mm 2 x 16 wires (50 µm) sensor electronics Up Up to to 280 C 280 C temperature Up Up to to 7 MPa MPapressure Up Up to to Hz Hz frame frame rate rate High pressure / temperature sensors Patents: US EP EP US EP CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 59 Measurement of multiphase flows Technique Needle probes (electrical, optical) Optical (PIV, LDA, videometry) Hard-field tomography (x-ray*, -ray*, PET, MRI) Ultrasound/optical tomography Electrical tomography (EIT, ECT, ERT) Wire-mesh sensor Spatial Resolution No Temporal Resolution Costs Problems Intrusive, local measurement only low gas fraction only, optical access needed *radiation protection low gas fraction only nonlinear, ill-posed inverse problem intrusiv CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 60

31 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 CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 61 Medição da Vazão Multifásica O SANTO GRAAL CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 62

32 Medição de vazão multifásica ( a a a ) Q = A V + V + V T O O G G W W ( a r a r a r ) m = A V + V + V T O O O G G G W W W CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 63 Estratégias de medição CPGEI Marco Jose Da Silva mdasilva@utfpr.edu.br Slide 64

33 Exemplo de equipamento CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 65 Exemplo de equipamento CPGEI Marco Jose Da Silva Slide 66