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CPGEI (Doutorado): Eduardo Nunes dos Santos-14/08/15

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 14/08/2015
das 09h00 até 13h00
Onde Sede Central: Sala C-301
Nome do Contato Prof. Marco José da Silva
Participantes Prof. Marco José da Silva, Dr. Orientador UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Marco José da Silva, Dr. Presidente UTFPR
Prof. André Augusto Mariano, Dr. UFPR
Prof. Sebastian Yuri Cavalcanti Catunda, Dr. UFRN
Prof. Cicero Martelli, Dr. UTFPR
Prof. Rigoberto Eleazar Melgarejo Morales, Dr. UTFPR
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Desenvolvimento e aplicação de sensores wire-mesh para visualização de escoamentos multifásicos

Resumo: Escoamentos multifásicos estão presentes não somente em diversos processos da natureza, mas também são muito comuns em diversas atividades industriais, como na exploração, produção e transporte de petróleo e gás. Na produção de petróleo, a mistura multifásica de gás, petróleo e água é frequentemente encontrada fluindo através de colunas de produção e tubulações. Muito progresso tem sido realizado nos últimos anos no desenvolvimento e aplicação de técnicas de medição em escoamentos multifásicos a fim de quantificar com precisão, prever e controlar o fluxo de misturas multifásicas. O monitoramento on-line e de imagem dos escoamentos multifásicos é, portanto, de grande relevância. Sensores de malha de eletrodos (wire-mesh sensors) são dispositivos que produzem imagens da distribuição das fases na seção transversal de uma tubulação com alta resolução espacial e temporal. Em estudos anteriores a utilização desse sensor é explorada em diversas aplicações em escoamentos bifásicos. Seu princípio de funcionamento é baseado na medição de uma única propriedade elétrica (condutividade ou permissividade) da mistura. O objetivo deste trabalho é a aplicação da técnica wire-mesh para visualização de escoamentos multifásicos em alta velocidade para diferentes condições de escoamentos, assim como é atualmente realizada, bem como o desenvolvimento, adicionando a capacidade de operar em dupla modalidade. Assim, novos algoritmos e rotinas de processamento de dados para a investigação de escoamentos gás-líquido e sólido-líquido (suspensão) foram desenvolvidos e testados. A fim de continuar com o aprimoramento da técnica utilizada pelo sensor, uma nova eletrônica capaz de medir simultaneamente a permissividade e condutividade através da medição de amplitude e fase é introduzido. Além disso, um algoritmo baseado em modelos complexos de permissividade elétrica realiza a fusão dos dados gerados pela técnica desenvolvida. Esta fusão permite obter distribuições individuais das frações de fase de misturas de óleo-água-gás. A principal contribuição deste trabalho no campo de medição e investigação de escoamentos multifásicos é, por conseguinte, o desenvolvimento e aplicação de uma solução para extração de parâmetros do fluxo de dados do sensor wire-mesh, bem como a melhoria no sistema de medição. Desta forma, a gama de aplicação é ampliada, permitindo a investigação de escoamentos gás-líquido e gás-sólido, assim como escoamentos trifásicos gás-líquido-líquido através de visualização da distribuição de fase em alta velocidade.
Palavras-chave: Escoamento multifásico. Sensor Wire-mesh. Condutividade elétrica. Permissividade elétrica. Dupla modalidade. Fusão de dados. Fração de fase. Visualização de escoamentos.

Development and application of wire-mesh sensors for high-speed multiphase flow imaging

Abstract: Multiphase flows are present not only in nature but also are very common in industrial activities such as in exploration, production and transport of oil and gas. In oil production, the mixture of gas, oil and water is often found streaming through production columns and flow risers. Much progress has been made in recent years in the development and application of measurement techniques for multiphase flows in order to accurately quantify, predict and control the flow of multiphase mixtures. The online monitoring and imaging of multiphase flows is therefore of great importance. Wire-mesh sensors are flow-imaging devices and allow the investigation of multiphase flows with high spatial and temporal resolution. Such sensors have found widespread application in gas-liquid flows in the past. Its operating principle is based on measurement of a single electrical property (conductivity or permittivity) of flowing mixture. The objective of this work is the application of the wire-mesh technique for high-speed multiphase flow imaging in different flow conditions as applied so far as well as the further development of this technique by adding the capability of dual-modality operation. Hence, novel routines and data processing algorithms for the investigation of two-phase flows of the type gas-liquid and solid-liquid (slurry) are developed and tested. As a step towards the further development of the wire-mesh sensor technique, a novel dual-modality electronics being able to simultaneously evaluate the conductivity and permittivity component of a fluid through vector measurements (amplitude and phase) is introduced. Further, a model-based algorithm to fuse the data of dual-modality wire mesh sensor is developed in order to obtain individual phase fraction distributions in gas-oil-water three-phase flows. Thesis’ main contribution to the field of flow measurement and investigation is therefore the development and application of software solution for extracting flow parameters from wire-mesh sensor data as well as improvement in the hardware of measuring electronics. Hence, the range of application of wire-mesh sensors is enhanced being capable of investigation of two-phase (gas-liquid and slurry) flow as well as gas-liquid-liquid three-phase flow problems trough high-speed flow imaging.
Keywords: Multiphase flow. Wire-mesh sensor. Electrical conductivity. Electrical Permittivity. Dual modality. Data fusion. Phase fraction. Flow visualization.

Lista de publicações:

Dos Santos E N., Reinecke S., Schleicher E., Hampel U., Da Silva M.J. “Wire-mesh sensor applied to solid concentration visualization in slurries”. In: Proceedings of 7th International Symposium on Process Tomography (ISPT), 2015. Dresden, Germany.

Dos Santos E N., Morales R.E.M., Da Silva M.J. (2015) “Holdup measurements in gas-liquid-liquid flows with dual-modality wire mesh sensor”. In: IV Journeys in Multiphase Flows (JEM). Campinas-SP, Brazil.

Dos Santos E.N., Pipa, D.R., Morales R.E.M., Da Silva M.J. (2014) “Bubble shape estimation in gas-liquid slug flow using wire-mesh sensor and advanced data processing”. In: Proceedings of IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques (IST). Santorini Island. v. 14. p. 308-311.

Dos Santos E.N., Da Silva M.J., Morales R.E.M., Thiele S., Schleicher E., Hampel U. (2014) “Dual-modality impedance wire-mesh sensor for investigation of multiphase flows”. In: Proceedings of IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques (IST). Santorini Island. v. 14. p. 316-319.

Dos Santos E.N., Da Silva M.J., Morales R.E.M., Thiele S., Schleicher E., Hampel U. (2014) “Novel wire-mesh sensor for the visualization of three-phase flows”. In: Proceedings of ENCIT. Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering. Belém-PA, Brazil.

Dos Santos E.N., Da Silva M.J. (2013) “Técnica Rápida para Medição de Permissividade Complexa em Fluídos”. In: Anais do X Semetro. Buenos Aires.

Dos Santos E.N., Vendruscolo T.P., Morales R.E.M., Da Silva M.J. (2013) “Data fusion for dual-modality wire-mesh sensor”. In: Proceedings of 7th World Congress on Industrial Process Tomography, WCIPT7, 2-5 September. Krakow, Poland.

Zamarreno C.R., Martelli C., Baroncini V.H.V., Dos Santos E.N., Da Silva M.J., Morales R.E.M., Zubiate P., Arregui F.J., Matias, I.R. (2015) “Single and Multiphase flow characterization by means of an optical fiber bragg grating grid”. Journal of Lightwave Technology (Print), v. 33, 1857-62.

Dos Santos E.N., Vendruscolo T.P., Morales R.E.M., Hampel U., Da Silva M.J. (2015) "Dual-modality wire-mesh sensor for visualization of three-phase flows" Measurement Science and Technology (Accepted - 08/2015).

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