Escoamento bifásico ar-água em curvas de 180º

Abstract

Tubulações com curvas de 180° são frequentemente encontradas na indústria em aplicações envolvendo escoamentos bifásicos, como trocadores de calor e dutos de transporte. Nestes equipamentos, o escoamento gás-líquido sofre um efeito centrífugo devido à curva, que tende a separar ambas as fases. A influência deste tipo de singularidade é ainda mais intensa quando a curva é posicionada na vertical, pois o escoamento é sujeito a uma complexa combinação de forças: centrífuga, atrito e gravitacional. Ainda, o efeito resultante depende de parâmetros do escoamento, como sentido (ascendente ou descendente), curvatura, vazões e propriedades físicas. Devido à ação combinada das forças, o escoamento apresenta na curva um comportamento distinto daquele observado em tubos retos, sendo a sua investigação o principal objetivo deste estudo. Mais especificamente, este propõe-se a caracterizar o escoamento bifásico ar-água em uma curva de 180° que conecta dois tubos retos de 5,5 m e diâmetro de 26,4 mm. A curva é posicionada na vertical e o escoamento pode ser imposto nos sentidos ascendente e descendente. Inicialmente, o comportamento da pressão estática a montante e a jusante da curva foram medidos em inúmeras condições de escoamento, bem como a queda de pressão e a variação da fração de vazio entre a entrada e a saída da curva. O comportamento das fases na curva foram observados com uma câmera de alta velocidade, ilustrando aspectos particulares do escoamento bifásico na curva em ambos sentidos. Experimentos foram conduzidos para curvaturas 2R/d de 6,1, 8,7 e 12,2 nos sentidos de escoamento ascendente e descendente. As velocidades superficiais das fases foram determinadas entre 0,2 e 40 m/s para o ar, e em 0,05, 0,2 e 1 m/s para a água. A partir da medição de queda de pressão total na curva e da variação da fração de vazio, avaliou-se somente a parcela irreversível da queda de pressão na curva, resultando em uma correlação empírica. Em uma segunda parte, a fração de vazio foi medida em 12 pontos posicionados a montante e a jusante da curva, compreendendo os regimes em tampões, em golfadas e anular, nas direções ascendente e descendente, possibilitando uma melhor compreensão acerca da influência da curva no escoamento, além de permitir avaliação dos parâmetros do escoamento ao longo do eixo da tubulação.

Abstract : Return bends are found in various applications involving two-phase ow, including heat exchangers, transport pipes and separators. Gasliquid ows in bends are a ected by centrifugal forces that tend to separate both phases. If the bend is oriented vertically, the ow is also subjected to gravitational e ects. The resulting e ect of such forces is a change of the ow con guration as it passes through the bend, which depends on several aspects, such as ow direction (i.e., upward and downward), curvature, ow rates, and physical properties. Thus, the ow shows a distinct behavior in the return bend if compared to a straight tube. The main objective of this study is the characterization of air-water two-phase ows in 180 return bends that connect two 5-m long 26-mm ID horizontal tubes. The bend lies in the vertical position and the two-phase ow can be set as upward or downward. The behavior of the static pressure downstream and upstream of the return bend was measured for a wide range of ow regimes, as was the pressure drop and change in gas holdup associated with the return bend itself. The behavior of the phases in the bend was investigated with a high-speed camera, illustrating several particular features of the two-phase ow in the bend in both directions. The experiments were carried out with bend curvatures 2R=d of 6.1, 8.7, and 12.2 in both upward and downward directions. Super cial velocities varied from 0.2 to 40 m/s for the gas, and were set as 0.05, 0.2 and 1 m/s for the liquid. The irreversible pressure changes in the bend were determined based on the di erential pressure and gas holdup measurements, resulting in an empirical correlation. The gas holdup was measured at 12 di erent positions, downstream and upstream of the bend, covering the plug, slug and annular ow regimes in both upward and downward ow directions. This allowed a better understanding of the in uence of the return bend on the ow and the evaluation of ow parameters along the axis of the tube.