Estudo experimental de visualização de escoamentos no interior de impelidores de bombas centrífugas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Perissinotto, Rodolfo Marcilli, 1991-
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/8439
Resumo: Orientadores: Marcelo Souza de Castro, William Monte Verde
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spelling Estudo experimental de visualização de escoamentos no interior de impelidores de bombas centrífugasExperimental study on flow visualization in centrifugal pump impellersMecânica dos fluidosBombas centrífugasEscoamento bifásicoVisualizaçãoGotasCentrifugal pumpsFluid mechanicsTwo-phase flowVisualizationDropletsOrientadores: Marcelo Souza de Castro, William Monte VerdeTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Na indústria de petróleo, a Bomba Centrífuga Submersa (BCS) é usada como um método de elevação artificial, o qual fornece energia para transportar os fluidos do reservatório para as instalações de produção. O escoamento nos impelidores e difusores é complexo, de modo que ele pode influenciar o desempenho da bomba, reduzindo a elevação produzida e a capacidade de vazão. Além disso, a operação com misturas de líquidos promove instabilidades que levam a bomba a operar de forma ineficiente e até mesmo a falhar prematuramente, em situações que representam um desperdício de energia e recursos financeiros. Nesse contexto, o objetivo geral deste trabalho é estudar escoamentos monofásicos e bifásicos dentro de um estágio de bomba centrífuga. Para atingir tais propósitos, um novo protótipo de bomba com peças transparentes foi desenvolvido para fins de visualização de escoamentos. O dispositivo foi instalado em uma bancada de testes projetada e montada no Centro de Estudos de Energia e Petróleo (CEPETRO) da UNICAMP. Experimentos monofásicos e bifásicos foram conduzidos em várias rotações do impelidor e vazões de água e óleo. Os escoamentos foram visualizados e medições foram feitas com métodos High-Speed Imaging (HSI) e Particle Image Velocimetry (PIV). No que se refere aos testes monofásicos, as imagens adquiridas e processadas indicam que o comportamento do escoamento depende da condição operacional. Quando a bomba opera no Best Efficiency Point (BEP), o escoamento é bem organizado no impelidor, com vetores velocidade alinhados com a curvatura das pás, e perdas mínimas de energia são computadas. Porém, o campo de velocidades torna-se irregular quando a bomba começa a trabalhar fora das condições de projeto. Ao redor dos pontos de shut-off e open-flow, há a formação de vórtices e também desvios entre vetores, enquanto a energia cinética turbulenta aumenta ao valor máximo. No tocante a testes bifásicos óleo-água, as imagens revelam que os eventos de quebra de gotas ocorrem principalmente na região de fronteira entre impelidor (rotativo) e difusor (estacionário), devido ao cisalhamento e vorticidade. Em altas vazões de água, as gotas se movem livremente como "gotas dispersas"; em baixas vazões, à medida que a fração de óleo aumenta, muitas gotas grandes acumulam nos canais, no padrão "gotas concentradas". Por fim, os dados experimentais quantitativos serviram como base para a proposição de um modelo que representa a altura de elevação produzida pelo impelidor, estimado a partir das perdas de carga que ocorrem em consequência de atrito interno, choque e recirculação. Este trabalho é relevante pois melhora a compreensão sobre fenômenos físicos que influenciam a formação de emulsões em bombas. Os resultados podem ser úteis para melhorar modelos 1-D, simulações numéricas ou mesmo projetos de novas bombas que sejam mais adequadas para lidar com emulsões com menor frequência de problemas de desempenhoAbstract: In the petroleum industry, the Electrical Submersible Pump (ESP) is used as an artificial lift method, which provides energy to transport the fluids from the reservoir to the production facilities. As the flow is complex in the impellers and diffusers, it usually influences the pump performance, reducing the head and flow rate. In addition, the operation with liquid mixtures promotes instabilities that lead the pump to operate inefficiently and even fail prematurely, in situations that represent a waste of energy and financial resources. In this context, the general objective of this work is to study single- and two-phase flows within a centrifugal pump stage. To achieve these goals, a new pump prototype with transparent parts was developed for flow visualization purposes. The device was installed in a new test facility, which was designed and assembled in the Center for Energy and Petroleum Studies (CEPETRO) at UNICAMP, Brazil. Single- and two-phase flow tests were then conducted at various impeller rotational speeds, oil and water flow rates. Flow visualization was performed with High-Speed Imaging (HSI) and Particle Image Velocimetry (PIV) methods. Regarding the single-phase water experiments, the acquired and processed images indicate that the flow behavior is very dependent on the pump operational condition. When the pump works at the Best Efficiency Point (BEP), the flow in the impeller is well-organized, velocity vectors aligned with the blade curvature, and minimum energy losses are computed. However, the velocity field becomes irregular as the pump starts to operate at off-design conditions. Around the shut-off and open-flow points, the occurrence of vortices and vector misalignments is observed, and the turbulent kinetic energy increases to its maximum. With respect to the two-phase oil-water tests, images reveal that break-up events mainly occur at the boundary region between impeller (rotating) and diffuser (stationary), due to high shear stress and vorticity. At high water flow rates, the drops move freely in a "dispersed drops" pattern; At low water flow rates, as the oil fraction increases, many large drops become accumulated in the impeller in a "concentrated drops" pattern. The quantitative experimental data finally served as a basis for proposing a model that represents the head produced by the impeller, estimated from losses classified here as internal friction, shock and recirculation. This work is relevant as it increases the comprehension on physical phenomena behind the formation of emulsions in pumps. Results can help improve 1-D models, numerical simulations, and even the design of new pumps better suited to handling emulsions with fewer performance issuesDoutoradoTérmica e FluídosDoutor em Engenharia MecânicaFuncamp5392.2/1700/29[s.n.]Castro, Marcelo Souza de, 1986-Monte Verde, William, 1987-Paladino, Emilio ErnestoPaula, Igor Braga deNoriler, DirceuUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASPerissinotto, Rodolfo Marcilli, 1991-20232023-02-23T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (288 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/8439PERISSINOTTO, Rodolfo Marcilli. Estudo experimental de visualização de escoamentos no interior de impelidores de bombas centrífugas. 2023. 1 recurso online (288 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/8439. Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1266624porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-04-13T16:41:20Zoai::1266624Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2023-04-13T16:41:20Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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