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A medição em tempo real das vazões mássicas em escoamentos bifásicos líquido-gás, sem a separação das fases, é a solução mais adequada para a redução dos custos e dos desperdícios, aumento da produtividade e melhora da qualidade da produção da tradicional indústria do petróleo e gás natural, justificando a substituição dos custosos e tradicionais separadores de fases. Nesse contexto, é proposto um sistema de medição de vazão composto de um tubo de venturi ou placa de orifício associados a um sensor de fração de vazio média, por impedância elétrica. O sensor opera no modo resistivo e é alimentado por um campo elétrico girante em quatro pares de eletrodos. Os resultados obtidos são comparados com as vazões medidas por rotâmetros instalados antes da seção em que é feita a mistura de ar e água. Apesar de não ser o objetivo principal do trabalho, foi demonstrada a capacidade de se utilizar o sensor de fração de vazio para fazer a identificação dos regimes de escoamento bifásico. Os testes foram realizados em uma bancada experimental de escoamentos bifásicos adiabáticos ar-água a pressões máximas de 3 bar e títulos inferiores a 0,011, na direção vertical ascendente e na horizontal. As vazões mássicas máximas para a água e o ar foram de 4000 kg/h e 50 kg/h, respectivamente, e os padrões de escoamento testados foram o borbulhado, o pistonado e o anular. O trabalho é dividido em duas partes: na primeira, é apresentada a calibração do sistema de medição de fração de vazio através de vávulas de fechamento rápido, sendo analisados os sinais provenientes do sistema transdutor, e, na segunda parte, é apresentado um estudo comparativo entre o venturi e a placa de orifício em sistemas bifásicos ar-água. Na última, são analisados os parâmetros bifásicos como o título, o fator de escorregamento e a vazão mássica total a partir de correlações e modelos da literatura. A comparação entre as vazões previstas por correlações e os resultados experimentais para os padrões borbulhado e pistonado indicam valores de RMS dos desvios de 6,8 % para a correlação de Chisholm (1967), com tubo de venturi na direção vertical ascendente, e de 5,5 % para a correlação de Zhang et al. (2005), com placa de orifício na mesma direção. When it comes to gas-liquid flow in the oil and gas conventional industry, the two-phase mass flow rate measurement on real time without separating them is the desirable solution in order to achieve cost reduction, avoid waste, increase production and reach excellence in the oil and gas transport. The fiscal requirement for precise measurements is the greater motivator to support research. With this purpose, a measurement system consisting of impedance void meter, a nonintrusive conductance type, applied to determine the mean void fraction and forecast method for identifying flow patterns coupled to venturi or orifice plate flow meter is employed to predict the phases flow rates. Results are compared with the flow rates measured by single-phase meters installed previously to the air-water mixture point. The measurement system was evaluated by an air-water experimental facility. Experiments included vertical upward and horizontal flow; annular, bubbly, churn and slug patterns; void fraction ranging from 2% to 95%; water flow rate ranging up to 4000 kg/h; air flow rate ranging up to 50 kg/h; and quality ranging nearly up to 1%. The work is divided into two major parts. The first one is devoted to the calibration of the void fraction measurement system by means of quick closing valves. The second one is devoted to the comparisons between venturi and orifice plate meters in air-water two-phase flow. Quality, slip ratio and overall mass flow rate analysis are performed in this second stage. The frictional root-mean-square errors (RMS) of mixture mass flow rate in vertical upward flow through venturi were 6,8 % for Chisholm (1967). In the orifice plate, the RMS errors of vertical flow were 5,5 % for Zhang et al. (2005). |
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