Desenvolvimento de um Programa em Excel/Visual Basic para Determinação do Regime de Escoamento em Coluna Bolha Através de Medidas de Capacitância Pâmela C. Stülp 1*, Marcos F. P. Moreira 1, Charles D. F. de Jesus 2 (1) Centro de Engenharia e Ciências Exatas, Universidade Estadual do Oeste do Paraná UNIOESTE, Campus Toledo-PR. pamelastulp@hotmail.com (2) CNPEM CTBE Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol, Campinas-SP. Resumo: As colunas de bolhas são equipamentos que utilizam o contato contínuo entre uma fase líquida e uma fase gasosa dispersa. Uma vez que, o entendimento da fluidodinâmica no interior dos equipamentos permite a compreensão dos fenômenos que estão envolvidos no processo o desenvolvimento de um programa computacional em Excel/Visual Basic contribui com essa previsão de resultados. O objetivo deste trabalho era desenvolver um programa computacional em Excel/Visual Basic que informasse o regime de escoamento presente no equipamento experimental. As leituras de capacitância são feitas através do multímetro que está conectado a um sistema composto pelo computador, coluna bolha, caixa d água, termômetro, rotâmetros, compressor e bomba. Os dados recebidos pelo computador chegam de acordo com o protocolo do multímetro são transformados e enviados ao programa desenvolvido. O intervalo de tempo ótimo para tomada de dados do equipamento foi de 0,25 segundos e o programa desenvolvido prediz o regime de escoamento através do desvio padrão da capacitância. Palavras Chave: coluna bolha, regime de escoamento, capacitância, programa computacional. INTRODUÇÃO Colunas de bolha são equipamentos de contato em que um gás ou uma mistura de gases sob a forma de uma fase dispersa de bolhas se move numa fase líquida contínua (MENA, 2005). A identificação do regime de escoamento dentro da coluna bolha é fundamental para possibilitar que haja melhorias nos desempenhos dos equipamentos e previsão de resultados operacionais. Há três tipos de regimes que podem ser encontrados no escoamento gás-líquido. O regime homogêneo é encontrado a baixas velocidades de gás quando o gás do aspersor é distribuído uniformemente. O regime heterogêneo, por outro lado é encontrado a altas taxas do fluxo de gás. E, esses dois regimes são separados por um regime de transição caracterizado pelo o desenvolvimento de padrões locais de circulação do líquido (POTRICH, 2011). O método de identificação de escoamento mais comum é o visual. No entanto, há outras formas de se predizer o escoamento, como por exemplo, através das medidas de capacitância, uma vez que, em escala industrial a passagem de fluidos não se dá em dutos transparentes, o que impossibilita a identificação visual. Há alguns trabalhos que utilizaram o método capacitivo em escoamento gás-liquído em coluna bolha, como por exemplo, os estudos realizados por Moreira (2004), Potrich (2011) e Fornari (2012). Dessa forma, o objetivo deste trabalho é desenvolver um programa em Excel/Visual Basic (VBA), que é um software de fácil obtenção e operação, para determinação do regime de escoamento em coluna bolha através das medidas de capacitância. MATERIAIS E MÉTODOS Inicialmente se fez uso do módulo experimental apresentado na Figura 1 para fazer a coleta de dados e determinação do melhor intervalo de tempo de coleta de dados. Esse módulo consiste de uma caixa 125
d água para a armazenagem de água até a passagem pela bomba centrífuga monofásica de 1HP (Mod.: ECS-100M), passada pela bomba a água se encaminhava, através da tubulação, até a medição da vazão pelo rotâmetro (Conaut, Mod. 440, para água, de 1 a 10 Lxmin -1 ). Antes de entrar na coluna de acrílico, de 1 m de altura e 5 cm de diâmetro, as linhas de água e ar eram misturadas. A linha de ar era proveniente do compressor, o ar passava pela válvula reguladora de pressão e por dois rotâmetros Conaut Mod. 400 de 1 a 10 NL min -1 e Mod. 440, de 10 a 100 NL min -1. Figura 1. Módulo experimental (Fornari, 2012) O multímetro Minipa, de modelo ET- 2800, era conectado ao computador através da interface RS-232 ao capacitor de placa circular dispostos dentro da coluna bolha, conforme pode ser visualizado pela Figura 2. Figura 2. Esquema do Capacitor (Fornari, 2012) Para a determinação do intervalo de tempo ótimo entre a coleta de dados utilizou-se o módulo experimental (Figura 1) em que, fazendo alteração do intervalo de tempo no programa em Excel/VBA coletaram-se dados experimentais de capacitância em relação ao tempo, em duplicata, e foram gerados gráficos. A 126 análise deles permitiu a obtenção do melhor intervalo de tempo. Para se construir a programação houve uma série de itens importantes a serem levados em consideração como, por exemplo, a determinação do número de pontos necessários para a estabilização do desvio padrão da capacitância, para que houvesse conhecimento do tempo de coleta de dados que deveria ser utilizado para se obter um regime de escoamento confiável utilizando o programa desenvolvido. Como o desvio padrão da capacitância tende a ficar constante com o decorrer do tempo, utilizando um intervalo de tempo pré-estipulado para a coleta de dados obtevese o tempo que é necessário para um desvio padrão constante. Este será o tempo mínimo de coleta e a partir dele as medidas de capacitância tornaram-se confiáveis. Trabalhos anteriores, como o realizado por Fornari (2012), predizem que o tempo em que o desvio padrão se torna constante depende do tipo de regime de escoamento na coluna bolha. Além disso, num regime de escoamento homogêneo o tempo para a constância dos dados é menor que para o escoamento heterogêneo. Segundo Fornari (2012), considerando um fluxo mássico de água de 16,9kg.m -2.s -1, um escoamento de ar de 0,045kg.m -2.s -1 caracteriza-se como homogêneo e o tempo para a se obter um desvio padrão constante é de 8,5s, que é bem menor quando comparado à um escoamento de ar de 0,437kg.m -2.s -1 que caracteriza-se como heterogêneo, nesse último caso o tempo para a constância do desvio padrão da capacitância é de cerca de 26s. Outro item a ser considerado são os regimes de escoamentos. Estes, como já citado anteriormente, podem ser homogêneo, heterogêneo e transição. O regime homogênio é encontrado quando se trabalha com baixas vazões de ar e as bolhas de ar que se formam na coluna tem aproximadamente o mesmo tamanho uma das outras. O regime heterogêneo é obtido com altas vazões de ar e nesse caso, as
bolhas de ar formadas podem chegar a ter o diâmetro aproximado do tubo de acrílico, havendo uma miscelânea de bolhas de tamanhos diferentes. O regime de transição é obtido com vazões de ar intermediárias e as bolhas formadas podem apresentar tanto características de regime homogêneo quanto de heterogêneo. Além desses itens, foi preciso fazer uso do protocolo do multímetro, para que fosse possível obter a medida e a unidade da capacitância a ser lida na Userform aberta ao iniciar a coleta de dados pelo programa. Também, determinou-se o número das portas que seria possível trabalhar e quais seriam essas portas seriais. No programa elas são designadas por COM 1, 2, 3 e 4. Assim, cabe ao usuário conectar o multímetro na porta correta, e caso não haja a possibilidade de conectar nessas portas, pode-se alterar o número das portas nas configurações do computador utilizado, sendo necessário inicialmente identificar o número e a disponibilidade das portas no computador do usuário. Outro fator crucial para a elaboração do código do programa foi a programação disponibilizada por Brumbar (2009), esta faz a parte de coleta e recebimento de dados, o detalhamento é feito nos resultados desse trabalho. Realizado isso foi necessária a conversão dos dados recebidos para que houvesse a mudança do sinal de ASCII para hexadecimal, assim o Excel seria capaz de fazer a identificação desses dados. Para o programa desenvolvido em Excel/VBA identificar os regimes de escoamento a partir do desvio padrão dos dados de capacitância interpretou-se o trabalho de Fornari (2012). Nele estão contidas as faixas de caracterização dos regimes, tem-se que de zero a 0,119kg.m -2.s - 1 de ar o regime de escoamento é o homogêneo e nesse caso o desvio padrão das medidas de capacitância permanece entre 0 e 1μF, entre 0,119 e 0,388kg.m -2.s -1 de ar há a faixa de transição em que o desvio padrão das capacitâncias está entre 1 e 9μF e a partir 127 de 0,388kg.m -2.s -1 de ar regime de escoamento heterogêneo, estando este com desvio padrão superior a 9μF. Essas faixas são válidas para o fluxo de água de 16,9kg.m -2.s -1 e temperatura de 27ºC. Para um fluxo de água de 8,45kg.m -2.s -1 a faixa de desvio padrão que faz a identificação do regime homogêneo, de transição e heterogêneo é a mesma que a anteriormente citada. RESULTADOS E DISCUSSÃO Teste para a determinação do intervalo de tempo ótimo para coleta de dados A determinação do intervalo ótimo de tempo entre a coleta de dados de capacitância é importante para que não se tenham pontos falhos, em que não sejam lidos valores de capacitância por uma limitação do equipamento (multímetro). Assim, a fim de aumentar a precisão das leituras estipulou-se o menor intervalo de tempo em que os valores lidos de capacitância não se repetiram sequencialmente, essa análise é feita graficamente. A Figura 3 apresenta a capacitância em relação ao tempo para o menor intervalo de tempo pré-estipulado de 0,05s, 0,15s e 0,25s para uma temperatura de 27 C, e vazão de ar de 3 L/min. Analisando a Figura 3, pode-se verificar que muitos dos pontos se coincidem sequencialmente quando se considera o intervalo de 0,05s, logo esse intervalo de tempo não será bom para a análise de dados, já que não haverá confiabilidade nas leituras do multímetro. Da mesma forma, fazendo a análise gráfica na Figura 3 para o intervalo de tempo de 0,15s observa-se que ainda há pontos subsequentes com o mesmo valor de capacitância. Quando se avalia a mesma figura para o tempo de 0,25s entre a tomada de duas leituras verifica-se que ele é suficiente para que se obtenham valores de capacitâncias coerentes com as lidas pelo equipamento e, assim, a partir do intervalo de coleta de dados 0,25s haverá confiabilidade nas leituras do multímetro.
No entanto, é de interesse avaliar os dados de capacitância no menor intervalo possível, para que se possa fazer a leitura da maior quantidade de dados em um menor tempo, sendo assim é razoável considerar o intervalo de coleta como sendo 0,25s. Como a coleta de dados pode ser feita em temperaturas e vazões diferentes, é necessário saber se esse intervalo de tempo pré-estipulado será alterado por condições de temperaturas e vazões diferentes. Para isso, avaliaram-se outras condições de temperatura e vazão. Utilizando uma temperatura de 30 C, vazão de ar de 3L/min, vazão de água 4L/min, verificou-se o mesmo comportamento que o apresentado pela Figura 3. Logo, a temperatura não afetará o intervalo mínimo entre a coleta de dados. (a) (b) (c) Figura 3. Capacitância em função do tempo num intervalo de leitura de dados de 0,05s (a), 0,15s (b) e 0,25s (c), temperatura 27 C, vazão de ar de 3L/min, vazão de água 4L/min. Alterando a vazão de ar para 8L/min e mantendo as outras condições da Figura 3, temperatura de 27 C e vazão de água 4L/min obteve-se, novamente, um comportamento semelhante ao da Figura 3. Assim, verificou-se que o intervalo de leitura de dados ideal se manteve em 0,25s. Logo, nem a alteração de vazão e nem de temperatura afetarão o tempo ótimo de tomada de dados, sendo este pré-estipulado como 0,25 s. Interface do programa Conforme explicado anteriormente, foi necessário obter o protocolo do multímetro para identificar nele o que cada bite representa no programa. A comunicação é do tipo RS-232C e o formato dos dados está em ASCII. Assim, analisou-se a tabela do código ASCII para hexadecimal, para que fosse possível trabalhar com o Excel. O ASCII é uma sigla para American Standard Code for Information Interchange (Código Padrão Norte-americano para Intercâmbio de Informações). É uma codificação de caracteres de sete bits baseada no alfabeto inglês. Esse código foi proposto por Robert W. Bemer, visando padronizar os códigos para caracteres alfanuméricos (letras, sinais, números e acentos). Assim, seria possível que computadores de diferentes fabricantes conseguissem entender os códigos. O ASCII 128
é um código numérico que representa os caracteres, usando uma escala decimal de 0 a 127 (KARASINSKI, 2009). Além disso, cada 8 bits correspondem a um caractere e representam uma sequência de códigos que estão contidos na tabela ASCII, sendo que o oitavo bit (da direita para a esquerda) serve como um bit de paridade, utilizado para detecção de erro. Contidos no protocolo do multímetro estavam 59 bits, sendo que apenas do bit 47 ao 52 havia um grau de importância para a elaboração do código, pois esses são os bits responsáveis pelas informações do display principal da rotina, como por exemplo pela unidade de medida da capacitância. Anteriormente foi informado que para o programa ser desenvolvido é necessário conhecer o número da porta em que se conectaria o multímetro (porta de coleta de dados), pois o programa é feito de acordo com a porta de uso, assim, faz-se necessário a solicitação de abertura e fechamento da porta. Essa identificação, abertura e fechamento de porta são dados a partir de comandos em VBA que correlacionam a taxa de transmissão (bits/segundo), a paridade, o número de dados e o bits de parada. No caso desse programa, esse comando abre a porta 4, com uma taxa de transmissão de 9600, sem paridade, com 8 bits de dados e um bit de parada. Além disso, o número da porta COM é especificado pelo valor atribuído à variável intportid. A variável lngstatus conterá o valor retornado pela função CommOpen, e irá indicar se a porta foi aberta com sucesso ou se algum erro foi encontrado (BRUMBAR, 2009). No entanto, para realizar a leitura dos dados foi preciso uma série de rotinas para executar a porta serial com o uso do componente Microsoft Comm Control que utiliza o Windows API elaborando uma rotina que conseguisse suportar até quatro portas seriais, que são identificadas na programação como Port ID, e todas as rotinas (com exceção aos comandos que 129 fazem a leitura e a escrita dos dados, CommRead e CommWrite, respectivamente) retornam um erro código ou 0 se não acontecer erro algum ou a rotina CommGetError identifica quando o há erro, esse último comando recupera informações sobre um erro de comunicação e informa o status atual de um dispositivo de comunicação. Segundo Brumbar (2009) este método de comunicação de porta serial tem algumas vantagens, como o fato de não haver necessidade de instalar nada no computador de uso, e, por vezes, os dados lidos a partir da porta de série se destinam a ser integrados em tabelas ou gráficos, o que é muito fácil de fazer em Excel. Um resumo da funcionalidade do programa em Visual Basic é dado pela Figura 5, sendo que o último passo da programação é a obtenção do desvio padrão da capacitância que possibilita a identificação do regime de escoamento.
terminar surge na tela uma mensagem que informa se o regime é homogêneo, heterogêneo ou de transição. O módulo experimental em funcionamento juntamente com a leitura simultânea de capacitância e a impressão desses valores, lidos pelo multímetro, na tela do Excel pode ser visualizada pela Figura 7. Essa figura serve como base de comprovação que a rotina é realmente eficiente, uma vez que o valor da tela do multímetro corresponde ao da planilha do Excel e ao contido na Userform, sendo esse 13,87microF. Assim, o programa em Excel/VBA desenvolvido é capaz de fazer as leituras de capacitância através do multímetro, fazendo uso do protocolo do multímetro, da rotina que converte ASCII pra hexadecimal, dos conhecimentos e das pesquisas em VBA. Por fim, faz o cálculo do desvio padrão e identifica e informa o regime de escoamento da coluna bolha. Figura 5. Programa para obtenção do regime de escoamento em Excel/VBA subdividido em etapas. Quando o programa desenvolvido é iniciado há a opção de ler uma introdução breve. Caso o operador queira iniciar a coleta de dados basta clicar em iniciar e seguir as instruções da tela aberta, conforme demonstra a Figura 6. O tempo de monitoramento deve ser de 26 segundos para que se tenha uma precisão no valor do desvio padrão, logo, no escoamento informado. Assim que a coleta de dados CONCLUSÕES Durante a elaboração desse trabalho encontraram-se dificuldades quanto a interpretação do protocolo do multímetro e a conversão dos dados de ASCII para hexadecimal, porém essas dificuldades Figura 6. Verificação das leituras realizadas pelo multímetro durante a execução do programa foram superadas no decorrer de pesquisas e estudos. Assim, uma vez que, o objetivo do trabalho foi a obtenção de um programa em Excel/VBA para a determinação do regime de escoamento, utilizando uma coluna bolha, e através de medidas do desvio 130
padrão das capacitâncias, que eram simultaneamente lidas pelo multímetro num intervalo de coleta de dados de 0,25 segundos, que é eficiente para obtenção dos valores capacitivos, fez-se a determinação da característica desse escoamento e pode-se verificar que o objetivo primordial do trabalho foi atingido. POTRICH, L. B. Utilização de Medidas de Capacitância para a Previsão dos Regimes de Escoamento em Coluna Bolha. In: Congresso Científico da Região Centro-Ocidental do Paraná (CONCCEPAR), Campo Mourão PR, 2011. Agradecimentos Ao orientador e amigo Marcos por todo auxílio e suporte. À minha família e amigos pelos sorrisos nos momentos difíceis e a todos os docentes da Unioeste que ajudaram a construir uma base sólida no decorrer desses cinco anos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRUMBAR, C. Serial Port Communication in Excel - Introduction to Serial Port Communication in VBA..NET mar. 2009. Disponível em: <http://dev.emcelettronica.com/serial-portcommunication-excel-vba> Acesso em: jun. 2013. FORNARI, A. C. Caracterização do Escoamento Bifásico Líquido-Gás Ascendente através do Desvio Padrão da Capacitância. Trabalho de conclusão de curso, Departamento de Engenharia Química Universidade Estadual do Oeste do Paraná, 13p, 2012. KARASINSKI, E. O que é Código ASCII - O Código ASCII garante que seu computador entenda o que você escreve..net, fev. 2009. Disponível em: <http://www.tecmundo.com.br/imagem/1518-o-quee-codigo-ascii.htm> Acesso em: jun. 2013. MENA, P. M. P. N. C. Mass transfer and hydrodynamics in multiphase systems. 2005. 218p. Tese (Doutorado em Engenharia Química), Departamento de Engenharia Química - Universidade do Porto FEUP Faculdade de Engenharia, Porto. MOREIRA, M. F. P. Avaliação de aspectos fluidodinâmicos e da transferência de calor em leito fixo com escoamento gás-líquido concorrente vertical. 2004. 190 p. Tese (Doutorado em Engenharia Química), Departamento de Engenharia Química Universidade Federal de São Carlos, São Carlos. 131