5. Kétfázisú áramlás szállítási paramétereinek mérése korrelációs módszerrel

Átírás

1 Kétfázisú ármlás szállítási prmétereinek mérése korrelációs módszerrel A 4. fejezetben ismertetett, szállítóvezeték hossz menti nyomás- és sebességeloszlásánk számítási módszere mtemtiki-fiziki modell egyik megkötése szerint z nygsebességnek és szállítólevegő sebességének állndó viszonyát trtlmzz. A fenti sebességviszony ismeretében számítási módszer további pontosításár nyílik lehetőség, melynek érdekében jelen fejezetben korrelációs nygsebesség mérésének módszerét ismertetjük. Az ismertetendő mérések során csővezetékbe épített triboelektromos elven működő érzékelőkkel dolgoztunk. Az érzékelők olyn kilkításúk, hogy ne zvrják meg z ármképet, ne csökkentsék belső csőkeresztmetszetet. Az érintkezés nélküli nygsebesség mérésénél vgy Doppler módszert, vgy keresztkorrelációs módszert hsználják. A huszdik százd végén jelentős előrelépés történt z iprbn kereszt-korrelátorok fejlesztése terén. Az ilyen rendszerek áltl kezelhető jelek többnyire kpcitív, vgy elektroszttikus elven működő érzékelőktől szármznk (Corbett és Coulthrd [82]). Elektroszttikus (közvetett) nyg tömegárm mérő A gáz-szilárd kétfázisú ármlásbn előforduló tribo-elektroszttikus töltés részecskék egymás közötti, illetve csőflhoz ütközésének tuljdoníthtó. Az elektroszttikus töltéseket gyűrű lkú szenzorokkl lehet detektálni (Coulthrd és Byrne [83]). A szilárd nyg sebességének mérése viszonylg egyszerű. A problém szilárd nyg koncentrációjánk és z elektroszttikus töltésjel mplitúdójánk kpcsoltát leíró összefüggés meghtározásábn rejlik. A töltésjel ugynis függ egyrészt részecskék fiziki tuljdonságitól (lk, form, méret, tömegeloszlás, vezetőképesség, kémii összetétel, nedvességtrtlom stb.), másrészt pedig z ármlás körülményeitől (mint például szállító közeg sebessége, szállítócső mérete, csőfl érdessége stb.). A fentiek következtében nehéz értelmezni mérési eredményeket, kivéve h z említett összes prméter jól definiált és közel állndó. Kpcitív tömegárm mérő A szilárd nygok tömegármánk kpcitív elven történő mérése zon lpul, hogy z érzékelő zónán keresztül ármló szilárd nyg megváltozttj mérőzón kpcitását. A kpcitív érzékelők ugynolyn elven működnek, mint z elektroszttikus típusúk, különbség csupán jel feldolgozásábn vn. A szkirodlombn számos publikáció számolt be rról, hogy kuttómunk során kpcitív elvű mérési módszert hsználtk. Az érzékelő elektródák lehetnek sík-. Gyűrű lkúk, vgy többlemezesek, és elhelyezhetők szállítócső szigetelt részén kívül vgy belül. A mért kpcitás állht közvetlen vgy közvetett kpcsoltbn szilárd nyg mérőszkszbeli koncentrációjávl. A kpcitív elvű mérési módszer speciális kis szilárdnyg trtlmú hígármú pneumtikus szállításnál történt felhsználásáról Beck és szerzőtársi számolnk be [84, 85]. Akusztikus rezonnciás nyg tömegárm mérő A hng terjedési sebessége vlmely közegben függ közeg sűrűségétől. H szilárd nyg kerül gázb kétfázisú diszperz közeg formájábn, kkor hngsebesség ebben keverékben lcsonybb lesz, mint mikor gáz mg vn csk jelen. Megfelelő geometri esetén kusztikus rezonnci jön létre, olyn rezonncifrekvenciávl, mi egyenesen rányos

2 266 hngsebességgel. Az kusztiki rezonncifrekvenci mérése mgávl hozz hngsebesség és ezen keresztül szilárdnyg hányd mérését (Vetter és Culick [86]). Optiki nyg tömegárm mérő Ennél módszernél gáz-folydék ármlásbn fény szóródását hsználják szilárdnyg koncentráció meghtározásár. Az eljárás Mie elméleten lpul, mi kimondj, hogy egy fénysugár nylábbn fény intenzitás exponenciális kpcsoltbn vn szilárdnyg koncentrációjávl. A rendszer fényforrásként hsználht lézer vgy villnófényt és egy fotósokszorozón keresztül optiki szált fénydetektorként (Lu és szerzőtársi [87]). A rövid irodlmi áttekintés után jelen fejezetben részletesen ismertetésre kerülő triboelektromos érzékelők (detektorok) áltl szolgálttott ármjelek feldolgozás erősítés és szűrés után korrelációs méréstechnikávl történik [88, 89]. A kísérleti kuttómunk során szállított nyg BL55 jelzésű búzliszt, mely nyg szállítási prmétereinek meghtározásár felhsználtuk Wehrmnn [90] könyvében elméletileg kifejtett mérési eljárást Anygsebesség mérés Pneumtikus szállítás során részecskék mozgás közben cső flához ütköznek, mikor elszkdnk csőfltól, töltés mrd rjtuk, mit mgukkl visznek. Végeredményben tehát porrészecskék csőben feltöltődnek. A feltöltődés mértéke z érintkező nygok tuljdonságitól függ [91]. A részecskék csőflon történő ütközéséből, súrlódásából szármzó jel sztochsztikus jelnek tekinthető, mely z elhldó nygfelhő lkjától, mozgásától, sűrűség eloszlásától függően változik ábr. Anygsebesség mérés korrelációs módszerrel

3 267 A vízszintes szállítócsőben egymástól L D távolságr elhelyezett két triboelektromos érzékelő villmosn szigetelt belső felületén z ármló részecskefelhő i 1 (t) és i 2 (t) sztohsztikus ármjelet hoz létre [92]. Az nlóg ármjelek erősítés és sávszűrés után egy korrelátor bemenetére jutnk. A mérőkör vázlt z 5.1. ábrán láthtó. A korrelátor szolgálttj keresztkorreláció függvény mérésének segítségével zt τ o időt, mely ltt z ármló részecskefelhő megteszi z érzékelők közötti L D távolságot. Ezzel v nygsebesség z lábbi módon számíthtó: v L τ D = (5.1) o Az érzékelő csővezeték krimás kötése közé építhető, természetesen minden külső érintkező felületen villmos szigetelés tlálhtó. A teflon gyűrűkkel és lpokkl szigetelt érzékelő metszete z 5.2. ábrán láthtó ábr. Szegmensekből álló triboelektromos érzékelő szerkezeti felépítése A detektor kilkítás lehetőséget nyújt vizsgált keresztmetszetben z ármló részecskefelhő sebességeloszlásánk vizsgáltár. Ezt cső plástján egymástól és környezettől megfelelően elszigetelt négy negyedkörívű, célból készült szegmens elhelyezése teszi lehetővé. Az 5.2. ábrán szigetelt kivezetések jelölése z ármlási iránybn első E1 jelű érzékelőnél 1, 2, 3 és 4, illetve z E2 jelű második érzékelőnél A, B, C és D kódokkl történt

4 268 A szigetelt kivezetéseken megfelelő negyed köríveken generált ármjel mérhető. Ez z árm kezdetben rányosn nő porkoncentrációvl, de később ngy porkoncentráció esetén lecsökken létrejövő por összetömörülések áltl kilkított ármutk mitt [91] Korrelációs jelfeldolgozás A mérések egy része z E1 és E2 gyűrűdetektorok egyes szegmenseinek ármjeleit értékelik ki, ngy részük zonbn teljes gyűrűfelület egyidejű összegzett ármjelét dolgozz fel. Az ármjelek stcionáriusnk tekinthető fluktuáló részét korreláció függvényeik és teljesítmény-sűrűség spektrumik jellemzik. Az 5.3. ábrán z E1 jelű érzékelő ármjelének fluktuáló része zj láthtó ábr. Az E1 jelű detektor ármjelének időfüggvénye A mért árm zjjelek utokorreláció függvénye: R ii 1 T T 0 () τ i()( t i t + τ )dt (5.2) hol T - z elegendően hosszú mérési idő τ - késleltetési idő Az utokorreláció függvény felvilágosítást d egy sztochsztikus jel időtrtománybeli belső összefüggéseiről, h mint regisztrátumok megfigyelését különböző τ időközökben végezzük. Az R ii (τ) utokorreláció függvény értéke áltlábn nnál kisebb, minél ngyobb τ intervllum, mivel z egymástól távoli függvényértékek közötti kpcsolt áltlábn gyenge. Minél gyorsbb változások jellemzik jelet, nnál gyorsbbn csökken z utokorreláció függvény értéke τ növelésével, illetve minél gyorsbbn csökken z R ii (τ) értéke, nnál mgsbb frekvenciájú jelösszetevők jellemzik sztochsztikus jelet. A függvény értéke τ=0 helyen egyenlő z i(t) jel négyzetes középértékével és ez egyben függvény mximális értéke. Ebből gyökvonás után jel effektív értéke számíthtó z lábbi módon:

5 269 1/ 2 T 1 2 I eff = i () t dt (5.3) T 0 H korreláció függvényt két különböző jelre értelmezzük i 1 (t) és i 2 (t) jelek keresztkorreláció függvényét kpjuk. R i1i 2 T 1 T 1 2 ( τ ) i () t i ( t + τ )dt 0 (5.4) Amennyiben z E1 és E2 detektorok L D távolság nem túl ngy, úgy z ármzjok időbeni változás késleltetési idővel eltoltn nem túlságosn tér el egymástól. Ekkor z R i1i2 (τ) függvénynek τ=τ o értéknél mximum vn. Az 5.4. ábrán z E1 és E2 érzékelők utokorreláció függvényei és hozzátrtozó keresztkorreláció függvény láthtó ábr. Az i 1 (t) és i 2 (t) jelek korreláció függvényei A vizsgált ármlási folymtoknál (sűrűármú pneumtikus szállítás esetén) változik részecskék elrendeződése csőszksz mentén. A növekvő érzékelő távolság csökkenti keresztkorreláció függvény mximumát, szélesíti csúcs lefutását. A mérések összevetésére bevezethető normlizált korreláció függvény, illetve z r -rel jelölt korrelációs tényező. A korreláció függvények normlizálás zj négyzetes középértékének figyelembe vételével történik. Ez keresztkorreláció függvény esetén:

6 r i1i 2 () Ri 1i 2( τ ) [ R ( ) R ( 0) ] 1/ 0 i1i1 0 i2i2 270 τ = (5.5) hol R i1i1 (0) és R i2i2 (0) z érzékelőkön kpott i 1 (t) és i 2 (t) jelek utokorreláció függvényeinek értéke τ=0 helyen. A korreláció függvények Fourier trnszformáltji teljesítmény-sűrűség spektrumok. A kereszt teljesítmény-sűrűség spektrum z R i1i2 (τ) keresztkorreláció függvény felhsználásávl z lábbi összefüggés szerint számíthtó: S i1i τ ( ) () τ π f f R e dτ = i1i 2 (5.6) 2π 5.5. ábr. Az i 1 (t) és i 2 (t) jelek kereszt teljesítmény-sűrűség spektrum A mérések ltt z erősített és Hz sávszélességgel szűrt zj jelek mérő mgnetofon felhsználásávl lettek rögzítve. Az off-line kiértékeléssel készült kereszt teljesítménysűrűség spektrum z 5.5. ábrán láthtó A kísérleti nyomótrtályos pneumtikus szállítóberendezésen elvégzett mérések Az nygsebesség méréseket z 5.6. ábrán láthtó pneumtikus szállítóberendezésen végeztük. A berendezés D=38mm belső átmérőjű, L=104m hosszúságú szállítóvezetékében BL55 jelű búzlisztet szállítottunk és csővégen C helyen beépített ciklonnl válsztottuk le szállító levegőármból. A szállítóvezeték vonlvezetését és méreteit z 5.6. ábrán tüntettük fel. A leválsztó ciklonból z nyg z ltt mérlegre telepített fogdótrtályb került, melynek segítségével z elszállított nyg tömegárm meghtározhtóvá vált. A szállító levegőt egy állíthtó végnyomású ATLAS COPCO csvrkompresszor szolgálttt. A levegővezeték nyomótrtály ljához cstlkozik. A levegővezetékbe szállító levegő tömegármánk reprodukálhtó beállítás céljából z LB jelű szűkítő nyílás (lemezblende), illetve levegő tömegárm mérésére z MP jelű mérőperemes mérőszkszt építettük be. A nyomótrtály lzító rétege ltti tiszt levegő-tér p t jelű trtálynyomásánk mérésére dobozos mnométer szolgált. A trtály tetejét

7 271 szállítóvezeték elejével - 3. fejezetben részletesen ismertetett megkerülővezeték köti össze, melyben z ott átbocsátndó levegő tömegármánk változttásár B jelű szűkítő nyílást hsználtuk ábr. A kísérleti nyomótrtályos pneumtikus szállítóberendezés A szállítóvezetékhez z 5.6. ábrán bekrikázott számokkl jelölt tíz drb dobozos mnométer cstlkozik hossz menti nyomáseloszlás mérése és 4. fejezetben ismertetett ütközési tényező (nygjellemző) meghtározás céljából. A szállítóvezeték elejére beépített SZ jelű elektromos vezérlésű, pneumtikus működtetésű elcsípő szelep itt nem csupán 3. fejezetben leírtk szerinti pneumtikus szállítási előnyös feltételeket teremtette meg, hnem z indítószelepes méréseknél dódó hosszbb stcionárius szállítási időtrtm révén z 5.2. összefüggéssel definiált utokorrelációs függvény felvételéhez szükséges T mérési időt is sikerült ezzel megnövelni. Az E1, E2 és E3 jelű triboelektromos érzékelőket szállítóvezeték lsó vízszintes szkszán z 5.6. ábrábn láthtó módon építettük be. A mérések során egyidejűleg csupán két érzékelő jelét értékeltük ki. A kilkított három különböző hosszúságú mérőszksz (LD=500mm; 1000mm; 1500mm) lehetőséget nyújtott ellenőrző mérések végzésére és legjobb regressziót dó állpotok kiválsztásár is.

8 Mérési eredmények A kísérleti kuttómunk eredményeinek jelenlegi ismertetésekor nyomótrtályos pneumtikus szállítóberendezéssel B=5mm=állndó megkerülővezeték szűkítő nyílássl végzett mérések eredményeit muttjuk be ábr. Az nyg tömegárm és keverési rány változás vizsgált levegő tömegárm trtománybn Az 5.7. ábrán stcionárius szállítási állpothoz trtozó m& ( m& g ) nyg tömegárm - levegő tömegárm és, µ ( m& g ) keverési rány - levegő tömegárm méréssel meghtározott függvényei láthtók. A szállított nyg BL55 jelű liszt. Az ábrából láthtó, hogy z elszállíthtó nyg tömegárm mit szkirodlombn gykrn szállítóteljesítménynek neveznek levegő tömegárm növelésével nő. Az nyg tömegárm görbéhez z origóból húzhtó érintő kijelöli legngyobb keverési rány helyét. Az 5.8. ábrán mérési soroztbn stcionárius szállítási állpotok során átlgolt p t trtálynyomás, p 1 szállítócső eleji nyomás és z e fjlgos energiigény értékeit ábrázoltuk z m& levegő tömegárm függvényében. g Az E1 és E2 jelű gyűrűdetektorok egymástól villmosn elszigetelt szegmenseinek (lásd 5.2. ábr) felhsználásávl megvizsgáltuk, hogyn lkul szegmensekként külön-külön átlgolt nygsebesség szállítócső egy keresztmetszetében.

9 ábr. A nyomások és fjlgos energi levegő tömegárm függvényében A mérési eredmények egy jellemző összetrtozó dtsor következő tábláztbn tlálhtó: BL55 jelű liszt szállítás L=104m hosszúságú D=38mm átmérőjű szállítócsőben B=5mm átmérőjű megkerülővezeték szűkítő nyílásméret esetén E1 E2 I 1eff I 2eff τ o r(τ o ) v megjegyzés érzékelő [na] [na] [ms] [-] [m/s] 1 A felső pár 2 B lsó pár 3 C lsó pár 4 D felső pár A mérés állndó prméterei: nyg tömegárm m& =1.12kg / s levegő tömegárm m& g = kg / s keverési rány µ = nyomótrtály nyomás p t = 2.26 br túlnyomás szállítócső eleji nyomás p 1 = 2.10 br túlnyomás detektorok (E1-E2) távolság L D = 1000 mm szűrés f = 2 20 Hz A táblázt dti lpján megállpíthtó, hogy keresztmetszetben felső szegmensek jeleinek átlgként dódott nygsebesség % -kl ngyobb, mint z lsó félben mért érték. Ez mérési eredmény is igzolj zt feltevést, hogy vízszintes szállítócsőben sűrűármú pneumtikus szállítás során olyn ármkép lkul ki, hogy z nyg egy része

10 274 cső lján ngy hlmzsűrűségű részecskefelhőt lkotv, részben csőflon csúszv hld előre, míg felül kilkuló ritkább térben z nygrészecskék döntően ütközve, pttogv és ngyobb átlgsebességgel mozognk. A táblázt dtiból láthtó továbbá, hogy z r korrelációs tényező nem éri el 0.4-et ábr. Az nyg viszonylgos térfogtrány- és szlip levegő tömegárm szerinti változás Az 5.7. és 5.8. ábrákhoz trtozó v nygsebesség mért értékeinek ismeretében z ismert definíció lpján számíthtó z ε viszonylgos nyg térfogtrány: ε A m& = = (5.7) A v ρ A Az nygsebesség mérésekor összegeztük z érzékelőnkénti négy-négy E és E2 A-B-C-D jeleket. A számításnál ρ =720kg/m 3 nygsűrűség értéket vettünk figyelembe. Az 5.9. ábrából láthtó, hogy ε értéke vizsgált levegő tömegárm trtománybn változik (ε = ), továbbá láthtó, fenti viszonylg ngy ε értékek indokolják helyi levegősebesség számításkor z nyg jelenléte mitti keresztmetszet-szűkítés figyelembe vételét, mi hígármú pneumtikus szállításnál (ε ) elhnygolhtó. Az ábr trtlmzz még szlip értékeket is, melyek igen ngy szórás mitt csupán levegő tömegárm szerinti változás tényére, esetleg jellegére mutt rá. Ez ugynis rr utl, hogy szlip szállítási állpot függvényében változik. Kis levegő tömegármoknál z nyg-levegő keverék jobbn együtt hld, míg ngy levegő tömegármoknál szlip értéke már jelentősen megnőtt (s= ).

11 275 Az ábrán z nygsebesség és helyi v g1 levegősebesség láthtó vizsgált levegő tömegárm trtománybn. Az 1-es index szállítócső elején mért p 1 nyomású helyre utl ábr. Az nyg- és levegősebesség mért értékei vizsgált levegő tömegárm trtománybn