Development of an ultrasonic technique for determination of the void fraction and the gas flow rate in water-air two-phase flows

Orientador: Ana Maria Frattini FiletiDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: O escoamento líquido-gás está presente em diversos processos de indústrias químicas e petrolíferas. Nesses processos, mensurar de maneira não invasiva a fração de vazio, assim como a vazão da fase dispersa, é fundamental para o monitoramento contínuo e controle adequado da produção. Posto isso, o objetivo geral desta dissertação é apresentar o desenvolvimento de uma técnica alternativa para estimar de forma não invasiva a fração de vazio e vazão da fase dispersa de escoamentos água-ar. Tal técnica opera mediante a realização de medições via ultrassom dos escoamentos bifásicos e aplicação dos pertinentes processamentos aos sinais de eco adquiridos. Para desenvolver essa técnica, experimentos com escoamentos água-ar foram realizados em um circuito experimental construído no Laboratório de Controle e Automação de Processos (LCAP), situado na Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Devido às limitações desse circuito experimental, as faixas de fração de vazio e vazão nominal de gás passíveis de mensuração foram de 0–13% e de 0,5–5 L/min, respectivamente. Além disso, apenas o padrão de escoamento bolhas foi averiguado experimentalmente. Mediante a realização dos experimentos, medições via ultrassom dos escoamentos água-ar foram realizadas, como também medições via sistemas de referência para as variáveis hidrodinâmicas fração de vazio e vazão da fase dispersa. Os sinais de eco oriundos das medições ultrassônicas foram processados para obtenção de distintas variáveis ultrassônicas, tais como os sinais adimensionais de energia dos ecos e a razão adimensional. Por intermédio do ajuste de curva à relação estabelecida entre a fração de gás livre — mensurada pelo sistema de referência — e a razão adimensional — proveniente de um único transdutor emissor-receptor — foi possível criar uma função para a estimativa da variável hidrodinâmica previamente citada. Mediante a aplicação da correlação cruzada aos sinais adimensionais de energia dos ecos — oriundos de dois pontos de medição ultrassônica intervalados ao longo da tubulação — foi possível estimar a velocidade média da fase dispersa e, por conseguinte, a vazão de gás dos escoamentos investigados. De acordo com os resultados obtidos, sugere-se que mediante o acoplamento de uma função de ajuste com os valores de razão adimensional provenientes de um único transdutor é possível estimar frações de vazio no intervalo de 1,5–13% com respectivos valores de erro relativo inferiores a 6%. A técnica proposta nesta dissertação para determinar a vazão de gás apresentou sensibilidade às variações de vazão da fase dispersa induzidas nos escoamentos investigados. A maioria das medições de vazão de gás mediante a aplicação de tal técnica decorreram em estimativas que comparadas às referências resultaram em valores de erro relativo no intervalo de 10 a 35%Abstract: The gas-liquid two-phase flow occurs in several processes of chemical and oil industries. For monitoring purpose and suitable production control of these processes, it is essential to measure the void fraction and the gas flow rate in a non-invasive manner. In the face of that, this thesis overall objective is to present an alternative ultrasonic technique to measure non-invasively the void fraction and the gas flow rate of water-air two-phase flows. This technique works by carrying out ultrasonic measurements of two-phase flows and applying the proposed signal processing to the acquired echo signals. To develop this technique, experiments with water-air two-phase flows were performed in an experimental apparatus built in the Laboratory of Process Control and Automation (LCAP) at the School of Chemical Engineering, located at the University of Campinas. Due to the limitations of experimental apparatus, the ranges of void fraction and nominal gas flow rate investigated were 0–13% and 0.5–5 L/min, respectively. In addition, it was possible to investigate only the bubble flow pattern. In the experimental investigation it was performed ultrasonic measurements of water-air two-phase flows as well the void fraction and gas flow rate measurements via reference measuring systems. The echo signals from ultrasonic measurements were processed to obtain several ultrasonic variables, such as dimensionless echo energy signals and dimensionless ratio. By curve fitting the relationship between the void fraction, measured by the reference system, and the dimensionless ratio, from a single emitter-receiver transducer, it was possible to create a function for the estimation of the previously mentioned hydrodynamic variable. According to the results, it is suggested that by coupling a fitting function with the dimensionless ratio values from a single transducer it is possible to estimate void fraction in the range of 1.5–13% with respective error values less than 6%. The technique proposed in this thesis to determine the gas flow rate was sensitive to the variations in flow of the dispersed phase in the two-phase flows explored. Most of the gas flow rate measurements by using this technique resulted in values that compared to the references produced relative error values in the range of 10–35%MestradoEngenharia QuímicaMestre em Engenharia Química5331Funcam