Analisi sperimentale delle caratteristiche di flussi multifase olio viscoso-acqua-aria in condotti orizzontali con variazione di sezione

Two-phase oil-water flows find application in a number of industries, for example in the petroleum industry, but little work has been reported in the literature regarding liquid-liquid two-phase flow. Since 1998 within the Multiphase Flow Laboratory at Politecnico di Milano research and development activity is being carried on aiming at characterizing the CAF technique in its various aspects: the present experimental campaign is proposed as a continuation of this work. Pressure drop measurements and high-definition images were taken for oil-water two-phase flows (water: μw=1,026∙10-6 Pa∙s a 20°C, ρw=998 kg/m3; oil: μo=0,93 Pa∙s a 23,5°C ρo=890 kg/m3) through horizontal Plexiglass® pipes presenting a sudden expansion (σ=2,04 ; 21 to 30 [mm] i.d.). Pressure gradients data were processed to obtain the pressure drop reduction factor R, the localized pressure recovery across the singularity, the localized loss coefficient K and the efficiency. It was then carried out a comparison between the results of the experiments and the outcome of previous work, developed in the same laboratory (σ=2,77; 30 to 50[mm] i.d.).It has been found that if the oil supercial velocity exceeds a critical value, K becomes rather independent of the flow condition. Moreover, it has been carried out another experimental campaign to study a Venturi flow meter for two- phase mixtures. Surprisingly the two-phase flow within the Venturi meter can be described by means of a homogeneous model, although separeated flow patterns clearly set up within the device and the slip ratio at the inlet is larger than unity. Furthermore, it has been carried out another experimental campaign to study a Venturi flow meter for three-phase mixtures. The three-phase flow can not be described by means of a homogeneous model which overestimates the pressure drop.

Dal 1998 è in corso, presso il Laboratorio di Termofluidodinamica Multifase del Politecnico di Milano, un’attività di ricerca e sviluppo volta a caratterizzare nei suoi molteplici aspetti la tecnica CAF. Lo studio di flussi bifase liquido-liquido, molto comuni nell’industria petrolifera e in molti altri settori industriali, è di grande importanza ma spesso gli esempi in letteratura sono incompleti. Nel presente elaborato si sono svolte due campagne, una preliminare e una di dettaglio, per flusso bifase acqua-olio (acqua: μw=1,026∙10-6 Pa∙s a 20 °C, ρw=998 kg/m3; olio: μo=0,93 Pa∙s a 23,5 °C ρo=890 kg/m3), in condotti orizzontali in Plexiglass®, attraverso una brusca variazione di sezione, da condotto di diametro 21 mm a condotto di 30 mm, con rapporto di espansione pari a σ=2,04. Attraverso misure di cadute di pressione a monte e a valle si sono calcolate le cadenti, il fattore di riduzione delle perdite di carico R, il recupero di pressione dovuto all’espansione, il coefficiente di perdita localizzata K e le efficienze. Inoltre si è eseguito un confronto dei coefficienti di perdita localizzata K con un’altra brusca espansione, avente rapporto di espansione pari a σ=2,77 (30mm-50mm), notando enormi differenze tra i due lavori, il che ci permetterà di concludere l’esistenza di un valore di velocità superficiale dell'olio superato il quale K non sarà più funzione delle condizioni del flusso. Inoltre si è eseguita una campagna sperimentale per lo studio iniziale di un venturimetro per misure le portate di flussi bifase acqua-olio. In questa campagna si è verificata l’idoneità dello strumento e, attraverso misurazioni di cadute di pressione, si è studiato il comportamento del flusso bifase attraverso il venturimetro. Il flusso segue molto bene il modello di flusso omogeneo nonostante sia visibile la struttura a fasi separate. Infine è stata svolta una campagna sperimentale per lo studio del comportamento del flusso trifase acqua-olio-aria attraverso il venturimetro. A differenza della campagna precedente si è scoperto che il modello omogeneo applicato al flusso trifase sovrastima le cadute di pressione.