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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2014.tde-30032015-080832
Document
Author
Full name
Fábio Toshio Kanizawa
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2014
Supervisor
Committee
Ribatski, Gherhardt (President)
Barbosa Junior, Jader Riso
Möller, Sergio Viçosa
Rodriguez, Oscar Mauricio Hernandez
Rosa, Eugênio Spanó
Title in Portuguese
Estudo teórico e experimental sobre padrões de escoamento, fração de vazio e perda de pressão durante escoamento bifásico água-ar cruzado ascendente externo a banco de tubos
Keywords in Portuguese
Banco de tubos
Fração de vazio
Padrões de escoamento
Perda de pressão
Abstract in Portuguese
O presente trabalho envolve um estudo teórico e experimental do escoamento bifásico externo a banco de tubos. Inicialmente, apresenta-se uma ampla revisão da literatura sobre padrões de escoamento, fração de vazio e perda de pressão, durante escoamentos monofásicos e bifásicos externos a banco de tubos. Nesta análise são também descritos os métodos de previsão destes parâmetros. Verificam-se diferenças significativas entre as estimativas proporcionadas por eles, fato que indica a inexistência de métodos generalizados. Posteriormente é apresentada uma descrição detalhada da bancada experimental projetada e construída durante o doutoramento. O aparato completo compõe-se da seção de testes, circuito de água, sistema de compressão e condicionamento de ar, e seções de injeção dos fluxos e condicionamento do escoamento. A seção de testes consiste em um banco de tubos distribuídos segundo configuração triangular normal, com os tubos apresentando diâmetro externo de 19,1 mm, comprimento de 381 mm, e espaçamento transversal de 24 mm. Os experimentos foram realizados para escoamento vertical ascendente de misturas água-ar e velocidades superficiais da fase líquida e gás de 0,020 a 1,500 m/s e de 0,10 a 10,00 m/s, respectivamente. Neste estudo foram desenvolvidas técnicas inéditas para determinação experimental da fração de vazio superficial no interior do banco de tubos baseadas em sistemas óptico e de sensoriamento capacitivo. Os padrões de escoamento foram identificados subjetivamente através de visualização de imagens e vídeos do escoamento, e objetivamente com o auxílio do método de agrupamento de dados k-means utilizando parâmetros baseados no sinal de perda de pressão e do sensoriamento capacitivo. Identificou-se subjetivamente os padrões de escoamento bolhas, bolhas dispersas, bolhas grandes, agitante, intermitente e anular. Constatou-se equivalência entre os padrões de escoamento identificados através dos métodos objetivo e subjetivo. Resultados experimentais para fração de vazio foram obtidos através de técnicas óptica e capacitiva. Constatou-se que o traçador rodamina B utilizado no método óptico altera as condições do escoamento, ainda que em concentrações reduzidas. A partir dos resultados obtidos com o sensoriamento capacitivo estimou-se a fração de vazio para o padrão bolhas. Resultados para a parcela friccional da perda de pressão também foram levantados. Constata-se o incremento da fração de vazio e da parcela friccional da perda de pressão com as velocidades superficiais das fases líquida e gás. Os resultados para fração de vazio foram comparados com métodos de previsão da literatura, e de maneira geral os métodos preveem as tendências dos resultados experimentais apenas para vazões de líquido reduzidas. Analogamente, os resultados para perda de pressão foram comparados com estimativas segundo métodos da literatura, concluindo que os métodos não preveem satisfatoriamente os resultados obtidos. Desta forma, foram propostos novos métodos de previsão para padrões de escoamento, fração de vazio e parcela friccional da perda de pressão, desenvolvidos a partir de análises dos mecanismos dominantes do escoamento, e adotando parâmetros adimensionais para correlacionar os dados. Os métodos propostos preveem satisfatoriamente os resultados experimentais deste estudo e da literatura para escoamentos bifásicos água-ar.
Title in English
Theoretical and experimental study on flow pattern, void fraction and pressure drop during air-water two-phase upward crossflow through tube bundles
Keywords in English
Flow pattern
Pressure drop
Tube bundle
Void fraction
Abstract in English
The present thesis concerns a theoretical and experimental study of external two-phase flows across tube bundles. Initially, a comprehensive literature review covering flow patterns, void fraction and pressure drop for single and two-phase flows across tubes bundle is presented. The review also describes predictive methods for these parameters. A comparison of these methods reveals reasonable disagreement among their predictions, indicating the absence of generalized methods. Subsequently, the apparatus and instrumentation designed and built to obtain the experimental data are described. The experimental apparatus comprises the test section, a water loop, air compression and conditioning systems, and sets for fluid flow injections and conditioning. The test section is a normal triangular tube bundle, with 19.1 mm OD tubes, 381 mm long and transversal pitch of 24 mm. The experiments were performed for air-water upward vertical flow, for superficial liquid and gas velocities ranging from 0.020 to 1.500 m/s and 0.10 to 10.00 m/s, respectively. Innovative techniques to evaluate the void fraction within the bundle were developed based on capacitive and optical methods. The flow patterns were identified subjectively and objectively by k-means clustering method, using as clustering parameters the pressure drop and the capacitive signals. Bubbles, dispersed bubbles, large bubbles, churn, intermittent and annular flow patterns were identified subjectively. The data groups identified by the objective method are representative of the flow patterns. Void fraction measurements were obtained for bubbly flow using both techniques (optical and capacitive). The void fraction data based on the optical method had its experimental range limited due to changes in the flow characteristics caused by the addition of the fluorescent dye Rhodamine B. The experimental results indicate that the void fraction increases with increasing the superficial velocities of both phases. In general, the void fraction predictive methods available in the literature capture the trends of the experimental results only for reduced liquid flow rates. According to the experimental results, the frictional pressure drop increases asymptotically with increasing the flow rates of both phases. None of the predictive methods from literature evaluated in the present study predicted satisfactorily the experimental results. Methods for prediction of flow patterns, void fraction and frictional pressure drop parcel were also developed in the present study. These methods provided reasonable predictions of the experimental results obtained in the present study, and also from the literature for air and water flows across tube bundles.
 
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Kanizawa_Tese_V04.pdf (6.63 Mbytes)
Publishing Date
2015-04-09
 
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