Os perfis de velocidade obtidos via técnica PIV para diferentes vazões de gás são mostrados na Figura 5.1. Valores de velocidade em linhas horizontais coincidentes com o diâmetro da perna traçadas a 15mm, 30mm e 45mm acima da saída da perna de descida (Figura 5.2). Nota-se que os valores de velocidade não variam consideravelmente à medida que a linha de medição se afasta da saída da perna de descida (de 15mm para 45mm). Deve-se destacar também que para a vazão de 110L/min a distribuição de velocidades é completamente assimétrica, devido à presença de grande quantidade de bolhas arrastadas pelo fluxo e que interferem consideravelmente na captura e tratamento das imagens - as bolhas refletem a luz do laser, sendo identificadas pelo software de determinação de velocidade como partículas, e como
98 velocidade das bolhas é diferente das partículas utilizadas pela técnica PIV, o perfil de velocidades calculado pelo programa fica comprometido. Assim, consideraram-se apenas os valores de velocidade do líquido para vazões de gás menores ou igual a 90L/min. A partir destes valores, calculou-se a velocidade média do líquido no interior da perna e então determinou-se a vazão de água na perna de descida (taxa de circulação).
Figura 5.1 – Perfil de velocidades na perna de descida obtido via técnica PIV utilizando água para imersão da perna igual a 6cm e vazão de gás: (a) 70L/min; (b) 110L/min; (c) 90L/min; e
(d) 110L/min.
Os valores de taxa de circulação para a caixa (vaso inferior em formato retangular), utilizando água como fluido de circulação, obtidos pelas três técnicas foram comparados para fins de calibração/validação do método da ponte de strain gages (Figuras 5.3b). Esta calibração adicional se faz necessária porque o fluxo na perna de descida se mostra extremamente turbulento, o que dificulta a aplicação da condição de fluxo unidirecional e simétrico ao redor do corpo esférico, conforme descrito no desenvolvimento da técnica, tópico 4.1.2. Destaca-se que os valores obtidos pelo MPSG e da condutivimetria foram muito próximos, e estes são consideravelmente superiores (~ 2 vezes) aos obtidos por velocimetria PIV. Nota-se ainda grande queda nos valores calculados a partir da técnica PIV para vazões superiores à 90L/min. Quando a vazão de gás aumenta, uma maior fração do mesmo é arrastada através da perna de descida (vide Figura 5.4), dificultando as medições via PIV, visto que as bolhas de gás refletem a luz do laser e são interpretados pelo software para cálculo da velocidade do líquido, e as bolhas possuem velocidade muito inferior ao líquido.
99 Figura 5.2 – Distribuição de velocidade ao longo de uma linha horizontal coincidente com o
diâmetro da perna de descida para vazão de gás: (a) 70L/min; (b) 110L/min; (c) 90L/min; e (d) 110L/min.
Sobre resultados do PIV, recentemente Luo et al. (2018) calcularam a taxa de circulação a partir do valor médio de velocidade medido pela técnica PIV, porém ressalta-se que as vazões de gás (20-25L/min) adotadas são consideravelmente baixas visto que as dimensões do seu modelo físico são superiores às dimensões do modelo do presente trabalho. Menores valores de vazão de gás reduzem o problema de presença de bolhas na perna de descida. Como pode ser observado na Figura 5.3(b), para a vazão de 30L/min, a taxa de circulação obtido pela técnica PIV estava próximo dos valores determinados pelas outras duas técnicas. Porém, para vazões superiores, a presença de quantidade excessiva de bolhas na perna de descida interferiu nos valores de velocidade medidos pela técnica PIV, e assim, os valores de taxa de circulação medidos por esta técnica foram consideravelmente inferiores aos resultados obtidos pela técnica da condutivimetria, usualmente empregada para este fim.
100 Figura 5.3 – Taxa de circulação para o vaso inferior de formato retangular, utilizando água como fluido de circulação: (a) influência da profundidade de imersão das pernas via MPSG;
(b) comparação entre as técnicas de medição: Cond. – condutivimetria; MPSG - método da ponte de strain gages e pela técnica PIV, profundidade de imersão de 60mm.
Figura 5.4 – Presença de bolhas na perna de descida em imagens obtidas via técnica PIV. Vazão de gás: (a) 70L/min; (b) 110L/min; (c) 90L/min; e (d) 110L/min.
101 A Figura 5.5 apresenta valores de taxa de circulação utilizando o vaso inferior em formato cilíndrico. Como o método da condutivimetria é usualmente empregado para avaliar taxa de circulação em modelo físico de reator RH, a proximidade entre resultados apresentados nas Figuras 5.3(b) e 5.5(a) valida o método da ponte de strain gages (MPSG) e permite utilizar o MPSG para determinação da taxa de circulação utilizando-se solução salina como fluido de circulação. Valores de taxa de circulação para a caixa utilizando-se soluções salinas como fluido de circulação são exibidos na Figura 5.6, para diferentes profundidades de imersão das pernas. Não foi observada influência significativa da profundidade de imersão sobre a taxa de circulação.
Figura 5.5 – Taxa de circulação para o vaso inferior de formato cilíndrico (panela): (a) comparação entre as técnicas de medição utilizando água como fluido de circulação; (b) influência da profundidade de imersão das pernas; (c) influência da densidade do fluido de
circulação, imersão de 60mm.
Nos gráficos das figuras anteriores (Figuras 5.3 a 5.6) que apresentam resultados de taxa de circulação, destaca-se que a influência da profundidade da imersão das pernas foi desprezível na faixa trabalhada. Vargas (2000), utilizando um modelo físico (1:5) verificou que a profundidade de imersão da perna pode influenciar na taxa de circulação, sendo que o aumento da profundidade de imersão de 60mm para 90mm provocou um aumento de cerca de 19% na taxa de circulação. Porém, alterando a profundidade de imersão de 90mm para 120mm, não influenciou a taxa de circulação de modo significativo. De acordo com o fator de escala do presente trabalho e de Vargas (2000), nota-se que as imersões de 90mm e 120mm corresponderiam às imersões de 60mm e 80mm no modelo físico do presente trabalho,
102 corroborando com a observação de que a variação da profundidade de imersão de 60mm para 140mm não afetou significativamente a taxa de circulação.
Figura 5.6 – Taxa de circulação em função da profundidade de imersão das pernas para o vaso inferior de formato retangular (caixa), utilizando fluido de circulação a solução aquosa de: (a)
NaCl (ρ = 1,17g/cm³); (b) ZnCl2 (ρ = 1,22g/cm³).