Sistema de tubería inclinada para generación de flujo pulsante

En esta sección se da una descripción de la instalación experimental que se utilizó para el estudio del flujo bifásico pulsante, así como la instrumentación y su método de calibración para su uso correcto en la experimentación.

Con el fin de simular las inestabilidades del flujo bifásico en ductos inclinados, se utilizará una tubería de acrílico en forma de V que es una de las configuraciones más comunes en este tipo de terrenos, la cual tiene el ángulo interior constante de 120°. En la figura 3.26 se muestra el montaje experimental y la topología de la red en la figura 3.28.

figura 3.26 montaje experimental

De acuerdo con el estudió bibliográfico realizado en el capítulo 1, para obtener el flujo de tapón se requieren de bajos flujos de líquido y de gas.

A la entrada de la tubería con inclinación descendente se requiere de un patrón de flujo estratificado, lo anterior se obtiene con USL y USG muy bajas, las cuales se establecen de acuerdo a un mapa de patrón de flujo descendente para tuberías inclinadas y de acuerdo al equipo e instrumentos con los que se cuenta.

Por ultimo, las velocidades superficiales del líquido y del gas, para los experimentos, se obtuvieron de mapas de patrones de flujo descendente en tuberías inclinadas definidas por D. Barnea, O. Shoham y Y. Taitel [17], en estos mapas se definen los puntos

correspondientes a las corridas experimentales en función de las velocidades superficiales de líquido y de gas, para obtener un flujo estratificado a la entrada de la tubería.

En la figura 3.27 se muestra la zona de pruebas determinada para flujo estratificado con inclinación descendente, de acuerdo a las condiciones del equipo e instrumentos. En la tabla 3.11 se muestran los gastos y las velocidades superficiales correspondientes a utilizar en el experimento.

Figura 3.27 Zona de pruebas para flujo estratificado, diagramas de D. Barnea, O. Shoham y Y. Taitel, 30° de inclinación descendente. [17]

Tabla 3.11 Velocidades obtenidas del Mapa del patrón de flujo inclinado

No. _(Líquido)LPM USL (m/s) LPM (Gas) USG (m/s) 1 1.66 0.0936 2.101 0.1185 2 2.04 0.1150 2.5316 0.1427 3 2.43 0.1370 3.0555 0.1723 4 2.826 0.1593 3.999 0.2255 5 3.215 0.1813 4.4808 0.2526

El orden en que se realizarán las pruebas consiste en que para cada una de las cinco U_SG se

Capitulo III Diseño y calibr ación del montaje exper imental

Figura 3.28 Topología de la red

Básicamente la instalación experimental para el estudio de flujo bifásico de tapón o pulsante (figura 3.28) está constituida esencialmente de 4 secciones: suministro de fluidos, medición y control, experimentación y de separación de fases. A continuación se describen estas secciones.

3.4.1 Suministro de fluidos

La sección de suministro de aire está formada por un compresor de aire de 10 HP. A la salida del tanque se tiene una válvula reguladora de presión ajustada a un valor de 2 bar (29 psi) para garantizar las condiciones de flujo sónico, lo cual asegura que el flujo medido en la sección de medición sea estable.

La sección de suministro de agua consta de un tanque principal de almacenamiento de agua con una capacidad de 0.25 m3 y una bomba centrífuga de 1/4 HP. El agua es conducida hacia la sección de medición por medio de una tubería de PVC hidráulico de 25 mm de diámetro, en la figura 3.29 se puede ver el equipo que constituye esta sección.

Figura 3.29 Equipo usado en el suministro de fluidos

3.4.2 Medición y control

Se tiene dos sistemas de medición de flujo, para agua y para aire. La sección de medición de flujo de agua cuenta con dos válvulas, una de compuerta para regular el flujo a la entrada de un rotámetro y a la salida de este una válvula de globo de cierre rápido. La sección de medición de aire cuenta con dos válvulas, una de globo para cierre rápido y siguiendo de esta una válvula de aguja para regular el flujo hacia un sensor de flujo.

Capitulo III Diseño y calibr ación del montaje exper imental En cuanto a los instrumentos de medición se cuenta con un medidor de caudal para líquido (rotámetro) con capacidad de 0.4 a 4 LPM, teniendo en cuenta que para una tubería de 1.94 cm. de diámetro se requieren de bajos caudales de líquido y de gas para obtener velocidades muy bajas, se obtuvo un sensor de flujo de aire con una capacidad de 1 a 5 LPM, con lo anterior se fijo una zona de pruebas de flujo estratificado.

El sensor de flujo para aire mostrado en la figura 3.30(2) es de tipo turbina (rueda Pelton), este mecanismo incluye un rotor aplanado que es colocado a lo largo de la línea central de la corriente del flujo. El componente que rota se diseña para proporcionar un pulso al pasar por un sensor magnético u óptico. La frecuencia de los pulsos es proporcional a la velocidad del fluido. Estos diseños ofrecen altos niveles de exactitud, un tiempo de respuesta en milisegundos además de altas capacidades de presión y temperatura.

Un rotámetro consiste en un tubo cónico, construido de vidrio, metal o de plástico, en el cual el flujo es dirigido verticalmente hacia arriba tal como se puede ver en la figura 3.30(4). Un flotador se mueve hacia arriba o hacia abajo en respuesta al caudal hasta que una posición se alcanza donde la fuerza de arrastre esta en equilibrio con su peso sumergido. La calibración consiste en correlacionar la elevación vertical del flotador con la descarga.

3.4.3 Sección de experimentación.

La sección de experimentación es la parte de la instalación donde se realizan las mediciones, la cual para su visualización consta de una tubería de acrílico de 1.94 cm. de diámetro interior y en forma de V con un ángulo interior de 120°, una longitud descendente y ascendente de 2.148 m. Esta parte de la sección de pruebas es una de las más importantes ya que está es la causante de la transición del patrón de flujo estratificado al patrón de flujo de pulsante, la cual será observada cuidadosamente.

Sobre la tubería de acrílico y a una distancia de la salida del flujo de 45 cm. se colocan los electrodos, cuya función es proporcionar información sobre el comportamiento del tapón (velocidad, longitud y frecuencia), la señal obtenida la captura con ayuda de un Procesador de señales digitales (DSP) y es enviada a la computadora para su análisis. En la figura 3.31 se ubica la zona de experimentación.

Figura 3.31 Zona de experimentación

3.4.4 Separación de fases.

La descarga de la tubería está conectada a un tanque que hace la función de separador de fases (figura 3.33). El tanque tiene una capacidad máxima de almacenamiento de agua de 6.9 litros, una vez que la cantidad de agua es medida se abre una válvula de globo para que sea recirculada hacia el tanque de almacenamiento de la sección de suministro de agua mientras que el aire se descarga a la atmósfera.

El separador de fases tiene también la función de instrumento de medición. El flujo que logra salir del tramo ascendente sigue siendo en general una mezcla líquido-gas. Ya que se puede medir y conocer la cantidad de la fase líquida extraída por el tramo ascendente, se utiliza un tanque separador en el cual la fase líquida se separa por gravedad y cae en este, la fase de gas se descarga a la atmósfera. El depósito tiene una forma rectangular con una base de 10x10cm y una altura de 0.7m, está construido de material acrílico de tal forma que se puede visualizar el nivel de líquido que se tiene en este, está cerrado y solo tiene una salida para el aire mientras se está ejecutando una corrida.

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Figura 3.32 Separación de fases