WYBRANE PROBLEMY WYZNACZANIA STĘŻENIA PYŁU W GAZACH METODĄ GRAWIMETRYCZNĄ.

Transkrypt

1 INŻYNIERIA PROCESOWA 01/2006; 27(3): TOMASZ OLSZOWSKI, JANUSZ POSPOLITA WYBRANE PROBLEMY WYZNACZANIA STĘŻENIA PYŁU W GAZACH METODĄ GRAWIMETRYCZNĄ. Politechnika Opolska, Katedra Techniki Cieplnej i Aparatury Przemysłowej, ul. Mikołajczyka 5, Opole W pracy przedstawiono wybrane problemy z zastosowaniem metody grawimetrycznej wynikające z nierównomierności rozkładu koncentracji mieszaniny pyłowo-powietrznej w kanale poziomym. Badania obejmowały wybrane przypadki dla ustalonego przepływu poziomego, tj. dla równomiernego rozpływu solgazu oraz dla przepływu z wyraźnym rozwarstwieniem fazy stałej. Porównano możliwe sposoby prowadzenia aspiracji oraz opisano wpływ zmian poprzecznego rozkładu stężenia pyłu w kanale poziomym na wartość błędu pomiaru metodą grawimetryczną. The paper presents selected issues connected with the use of the gravimetric method resulting from irregularities in air-dust concentration in a horizontal pipeline. The tests embraced selected cases for a defined horizontal flow i.e. for homogeuos solgas propagation and for a flow wiyh a clear, solid phase stratification. Possible ways of sample apiration were compares and an impact of changing the cross-section area dust distribution in a horizontal pipeline on the gravimetric mesurement error was defined. Key words: gravimetric method, two-phase flow, concentration, dust, air 1. WPROWADZENIE Metoda ekstrakcyjna od lat znajduje szerokie zastosowanie w metrologii przepływów dwufazowych typu gaz ciało stałe. Najczęściej jest kojarzona jako referencyjna metoda pomiaru stężenia pyłu w gazach odlotowych [1] i referencyjna metoda aspiracji próbek pyłu w celu dokonania analizy uziarnienia [2,3]. W ostatnim czasie metoda grawimetryczna znajduje uznanie również w pomiarach nierównomierności dystrybucji paliwa do palników pyłowych oraz, dzięki

2 T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA nowatorskiej konstrukcji aparatu autorstwa Teisseyre, w bezpośrednich pomiarach koncentracji i strumienia masy pyłu węglowego w układach transportu pneumatycznego[5]. Analizując literaturę można stwierdzić, że prowadzone badania i zastosowania dotyczą pomiarów realizowanych w pionowych odcinkach transportu pneumatycznego. Niejednokrotnie jednak ma miejsce sytuacja, że nie ma możliwości przeprowadzenia pomiarów w odcinkach pionowych, a często istnieje wręcz konieczność określenia parametrów przepływu solgazu w odcinkach poziomych, stąd m.in. w pracy [9] podjęto badania nad oceną zakresu możliwości stosowania rozpatrywanej metody w przypadku przepływu mieszaniny gaz-ciało stałe w rurociągach poziomych. Pomiar metodą grawimetryczną jest niezwykle złożony, co w połączeniu z dodatkowymi trudnościami występującymi podczas aspiracji z kanałów horyzontalnych powoduje szereg problemów techniczno-metrologicznych. Za najważniejszy należy uznać nierównomierność rozpływu mieszanki pyłowopowietrznej w przestrzeni pomiarowej, która bezpośrednio przyczynia się do wzrostu niepewności pomiaru strumieni masy obu faz. Praca stanowi zestawienie i omówienie najistotniejszych czynników metrologicznych, jakie należy brać pod uwagę w procesie prowadzenia pomiarów grawimetrycznych szczególnie w kanałach poziomych. Praca nie zawiera informacji o klasycznie rozumianej metrologicznej analizie błędu pomiaru najistotniejszych parametrów charakteryzujących przepływ dwufazowy. Zagadnienie to wyczerpująco przedstawiono w pracy [3]. 2. STANOWISKO POMIAROWE. ZASADA POMIARU I METODYKA BADAŃ Cele badawcze zrealizowano dzięki wykorzystaniu stanowiska doświadczalnego, którego schemat prezentuje rys. 1. Głównym elementem instalacji był wyposażony w króćce pomiarowe wypoziomowany (odchyłka od poziomu na całej długości < 1 %) kanał, o średnicy wewnętrznej D = 200 mm. Całkowita długość odcinka prostego wynosiła L = 8800 mm, (w tym Lp = 2000 mm odcinka pomiarowego). Rurociąg wykonany był ze zwykłej stali konstrukcyjnej (St3S) o grubości ścianki 2 mm. Przekrój na całej długości pozostawał niezmienny. Kanał składał się z trzech modułów, połączonych typowymi, uszczelnionymi, kołnierzami dla przekroju kołowego. W części wlotowej, zgodnie z wymogami norm [1,2], w odległości L K = 14 D od wlotu, zainstalowana była kryza z przytarczowym odbiorem ciśnienia, umożliwiająca poprzez pomiar spadku ciśnienia wyznaczenie wartości strumienia gazu. Kolejne moduły to: prosty odcinek rozpływowy (L = 6D), następnie łuki o promieniu r = 1 m (w celu maksymalnego zmniejszenia oporów przepływu) i moduł przejścia do stałej instalacji z odpylaczem i wentylatorem. Faza gazowa powietrze, była dostarczana do układu wlotem do kanału - bezpośrednio z otoczenia. Zasilanie układu w powietrze zapewniał, usytuowany za

3 200 Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną odpylaczem - regulowany sześciostopniową przepustnicą, wentylator wyciągowy, który generował przepływ nośnika gazowego rzędu 0,3 0,85 m 3 /s, co odpowiadało prędkości powietrza w kanale w zakresie 9,50 27,00 m/s. Faza stała pył łupka przywęglowego, dostarczana była do układu za pomocą napędzanego elektrycznie dozownika. Dozownik składał się z zaopatrzonego w klapę zamykającą leja zasypowego o pojemności 350 dm 3 oraz regulowanego elektrycznie ślimaka. Podajnik ślimakowy napędzany był silnikiem prądu stałego, wyposażonym w regulację napięcia w zakresie [V]. Mieszanina po przepłynięciu odcinków; pomiarowego i rozpływowego, była rozdzielana w mechanicznym odpylaczu inercyjnym typu Core Separator. Core separator wentylator wyciągowy wylot powietrza silnik wentylatora odbiór pyłu zbiornik pyłu jednostka pomiarowa wraz z komputerem podajnik ślimakowy silnik prądu stałego z regulacją obrotów króciec pomiarowy P2 króciec pomiarowy P1 kryza, pomiar p wlot powietrza Rys. 1. Schemat instalacji doświadczalnej. Fig. 1. Scheme of research station. Pomiar stężenia pyłu w gazie metodą grawimetryczną polega na okresowej aspiracji solgazu z poszczególnych punktów reprezentujących lokalne obszary przekroju pomiarowego. W celu określenia mas poszczególnych faz, zaaspirowana mieszanina jest rozdzielana. Wartość koncentracji pyłu w gazie Y wyznacza się na podstawie równania nr 1. Jest to wielkość proporcjonalna do odseparowanego ze skutecznością c masy pyłu m w czasie t ze strumienia masy gazu o gęstości v, wywołującego w zwężce o stałej kalibracji K v ciśnienie różnicowe P v. m Y (1) t K P c v v v

4 T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA Schemat umiejscowienia punktów poboru prezentuje rys. 2. Przyjęto trzy powierzchnie równoważne, jednakże pomiary były prowadzone dla dwóch powierzchni. Przyczyną takiego stanu był fakt, że punkty reprezentujące powierzchnię najbliższą ściance kanału zlokalizowane były w odległości 8 mm od ścianki. Tym samym aspiracja prowadzona w tych punktach obarczona byłaby zbyt dużym błędem, którego główną przyczyną byłoby intensywne oddziaływanie (zaburzanie) na przepływ - zarówno ścianki rurociągu, jak i końcówki sondy aspiracyjnej. Reprezentatywność pomiarów zapewniło zastosowanie się do wymogów zawartych w [1,2]. PA5 PA6 PA7 PA8 Rys.2. Rozmieszczenie punktów poboru próby przy wyznaczaniu rozkładu koncentracji i uziarnienia w przekroju pomiarowym P1; - punkty aspiracji, - punkty pominięte Fig. 2. Distribution of the sampling points while determination of concentration in the measuring section P1; points of aspiration, omitted points Skład ziarnowy wyznaczono przy wykorzystaniu laserowego analizatora uziarnienia LAU 11. Zasada działania aparatu polega na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji Fraunhofera i badaniu rozkładu natężenia światła w widmie dyfrakcyjnym, powstającym w wyniku ugięcia równoległej wiązki laserowej na badanych cząstkach pyłu. Realizacja badań dotyczących rozpoznania lokalnych wartości Y, w oraz odniesionego do pozostałości sitowej R 0,09 - uziarnienia cząstek stałych, miała na celu szersze poznanie zjawisk charakteryzujących przepływ mieszaniny pyłowopowietrznej w kanale poziomym. Zrealizowane pomiary pozwoliły wykazać zależności pomiędzy parametrami przepływowymi a wpływem głębokości aspiracji i siłą grawitacji wyrażoną liczbą Frouda. Metodyka badań nad wpływem nierównomierności rozkładu fazy stałej w przekroju kanału opierała się na wytworzeniu stabilnych warunków przepływu mieszaniny dwufazowej gaz ciało stałe, które zapewniały niezmienny profil stężenia i prędkości w przekroju pomiarowym. Badania realizowano dla stałej wartości strumienia masy gazu nośnego q mg = 0,95 [kg/s] i zmieniającego się strumienia masy pyłu q ms1 = 0,052 [kg/s] i q ms2 = 0,125 [kg/s]. Wpływ nierównomierności rozkładu koncentracji na możliwości metrologiczne metody, badano jedynie w osi pionowej.

5 Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną Średnie wartości parametrów przepływu wyznaczano w oparciu o wyniki pomiarów z wszystkich punktów aspiracyjnych. W pierwszym wariancie aspirację dla obu zadanych parametrów przepływu prowadzono zgodnie z klasycznym modelem realizacji pomiarów metodą grawimetryczną, tj. z jednoczesnym określeniem lokalnej prędkości przepływu mieszaniny i aspiracją próbki pyłu ze strumienia gazu. W wariancie drugim aspirację próbki poprzedzono identyfikacją prędkości w punktach poboru, a do aparatu pomiarowego wprowadzono stały, charakterystyczny dla danego punktu, spadek ciśnienia. W cyklach pomiarowych wyznaczano wartości koncentracji lokalnej Y, prędkości w oraz strumienia masy pyłu q ms. Analiza metrologiczna oparta została na wyznaczeniu błędu względnego metody, odniesionego do zadanych pierwotnych wartości wyznaczonych na podstawie charakterystyki podajnika (strumień masy pyłu) i wskazań manometru cyfrowego na kryzie (strumień masy gazu). Praca nie zawiera dyskusji nad wartościami klasycznie pojmowanej niepewności pomiaru. Szczegółowe studium metrologiczne zawiera praca [6]. Jak wynika z [6] i badań własnych [9] niepewność pomiaru koncentracji metodą grawimetryczną nie przekracza 7,5%. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW Zgodnie z metodyką realizacji pomiaru metodą grawimetryczną pobór próby powinien być realizowany przy dopełnieniu warunku izokinetycznego zasysania, tj. dla H = 1, czyli dla prędkości aspiracji równej lokalnej lub, w niektórych przypadkach, średniej prędkości przepływu medium w kanale. Z uwagi na fakt, że w wielu pracach wykazano rozbieżności, co do warunków aspiracji, zdecydowano się na przeprowadzenie badań, których celem było wyznaczenie wartości współczynnika H, dla której wyniki pomiarów doświadczalnych można było uznać za wiarygodne. Techniczne rozwiązania instalacji (brak zaburzeń, stała średnica wewnętrzna) oraz minimalna zmiana chwilowych wartości prędkości przepływu i strumieni obu faz pozwoliła na dokładne zbadanie problemu. Jednakże należy tutaj zaznaczyć, że wyznaczony współczynnik izokinetyczności odpowiada rozwiniętemu przepływowi mieszaniny gaz-ciało stałe z całkowitym unoszeniem fazy stałej w przestrzeniu kanału. Badania prowadzono pod kątem określenia stałej wartości H, dla której zarówno wartość mierzonej masowej koncentracji transportowej, jak również pozostałość sitowa 90 μm będą najbliższe rzeczywistym. Postępując zgodnie z normą [1] wykonano trzy odrębne analizy uziarnienia pyłu łupka przywęglowego i wyodrębniono wzorcową wartość R 0,09, która wyniosła 6,90 [%]. Wyniki porównano z analizą przeprowadzoną w cementowni Warta, skąd dostarczono materiał pyłowy. Wg analizy przeprowadzonej w cementowni wartość R 0,09 wyniosła 7,11 [%]. W badaniach zdecydowano się przyjąć za wartość wzorcową R 0,09 = 6,90 [%]. Pomiary prowadzono dla stałych wartości q ms = 0,052 [kg/s]

6 udział ziaren R0,09 (pomiar) [%] odchyłka wartości R0,09 od wzorca [%]*0,1 T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA i q mg = 0,95 [kg/s], czyli wzorcowej prędkości nośnika w = 25,3 [m/s]. Wartość koncentracji wzorcowej wyniosła 0,055 [kg/kg]. Badania nad wielkościami rozkładu ziarnowego w odniesieniu do R 0,09 i średniej koncentracji masowej Y prowadzono w zakresie zmian współczynnika H = 0,8 1,15. Na rysunku nr 3 przedstawiono procentową wartość udziału ziaren dla R 0,09 w funkcji zmiany współczynnika izokinetyczności H. Na dodatkowej osi rzędnych przedstawiono odchyłkę zmierzonej R 0,09 od wartości wzorcowej. Dla każdego z zakresów H przeprowadzono trzy aspiracje i trzy analizy frakcyjne. Rysunek nr 3 wskazuje, że wraz ze wzrostem H wartość reszty sitowej R 0,09 maleje. Przy czym, w zakresie H = 1,03 1,09 osiągana jest najniższa odchyłka od wzorca. Tym samym, jak wynika z poniższej interpretacji graficznej optymalną wartością współczynnika izokinetyczności dla poboru prób w celu dokonania analizy jakościowej jest H = 1,06. Wartość zmierzonej koncentracji Y w funkcji ilorazu prędkości H obrazuje rysunek nr 4. Dla celów porównawczych zdecydowano się na podobny sposób prezentacji jak dla rysunku 3. Podobnie jak to jest w przypadku reszty sitowej zwiększenie ilorazu prędkości pociąga za sobą zmniejszenie wartości mierzonej koncentracji. Aczkolwiek optymalnym dla celów wyznaczania wartości koncentracji transportowej jest współczynnik izokinetyczności H = 1, R90 pomiar odchyłka R90 R90 wzorzec ,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 współczynnik izokinetyczności H 0 Rys. 3. Pozostałość sitowa R 0,09 i odchyłka od wzorca zaaspirowanego pyłu w funkcji współczynnika izokinetyczności H Fig. 3. Screenings R 0.09 and deviation from the standard of the aspired dust in the function of the isokinetic coefficient H

7 Y (pomiar) [kg/kg] odchyłka wartości Y od wzorca [%] Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną Badania wskazały, że dla jednoczesnego pomiaru wielkości koncentracji transportowej oraz aspiracji próbki pyłowej, dla potrzeb analizy ziarnowej odseparowanego pyłu, należy stosować aspirację nadizokinetyczną. Oczywiście taki stan ma miejsce w sytuacji, gdy aspiracja prowadzona jest w warunkach transportu z całkowitym i quasi-ujednoliconym rozpływem fazy stałej w kanale. 0,075 0,07 0,065 0,06 0,055 0,05 Y pomiar odchyłka Y Y wzorzec ,045 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 współczynnik izokinetyczności H Rys. 4. Koncentracja Y i odchyłka δy od wzorca w funkcji współczynnika izokinetyczności H Fig. 4. The concentration Y and deviation Y from the standard in the function of the isokinetic coefficient H 0 Uzyskane wyniki stanowiły podstawę przy realizacji dalszych pomiarów dotyczących określenia lokalnych rozkładów Y, (w) i R 0,09 w przekroju pomiarowym. Rysunek nr 5 określa rozkład koncentracji dla maksymalnej wartości strumienia masy nośnika gazowego, który wynosił q mg = 0,95 [kg/s] i minimalnego strumienia masy pyłu q ms1 = 0,052 [kg/s]. Jak można zauważyć dla przewodu o średnicy D = 200 [mm] tak dobrane parametry przepływu zapewniają jednorodny profil rozkładu koncentracji z całkowitym unoszeniem fazy stałej. Wprawdzie obserwuje się tendencje do przesunięcia jądra koncentracji w kierunku dna kanału, jednakże różnice w lokalnych wartościach (również dla przekroju pomiarowego) koncentracji pyłu są minimalne i można je uznać za nieistotne. Rozkład prędkości, który został pokazany na rysunku nr 6, potwierdza, że otrzymano typowy jednorodny profil rozkładu. Praktycznie w całym, objętym pomiarami obszarze, prędkość jest wyrównana, a jej jądro, jak wynika z danych pomiarowych usytuowane jest w osi kanału. Oczywiście wraz ze zbliżaniem się do ścianek rurociągu (w) będzie dążyć do zera, jednakże pomiar metodą grawimetryczną nie jest możliwy w bezpośrednim sąsiedztwie ścianki kanału.

8 T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA 0,053 0,052 0,053 0,054 0,053 0,052 0,052 0,052 0,053 0,052 0,053 0,05 0,054 0,053 0,05 0,054 Rys. 5. Rozkład koncentracji dla q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,052 [kg/s]. Fig. 5. Concentration distribution for q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,052 [kg/s]. 25,55 25,57 25,63 25,42 25,64 25,59 25,48 25,63 25,68 25,51 25,61 25,67 25,56 25,63 25,61 25,57 Rys. 6. Rozkład prędkości dla q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,052 [kg/s]. Fig. 6. Velocity distribution for q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,052 [kg/s]

9 Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną Prezentowany na rysunku nr 7 ziarnowy rozkład frakcji cząstek pyłowych, odniesionych do pozostałości sitowej R 0,09 również nie pozostawia wątpliwości, że badany przepływ ma jednorodny charakter. Reszta sitowa R 0,09 jest niemalże taka sama w całym obszarze objętym badaniami. Lekko zwiększony udział R 0,09 w dolnych partiach kanału jest wynikiem działania siły grawitacji i jest zjawisko typowe dla przepływu poziomego. 5,17 5,39 4,29 5,32 4,73 5,26 5,18 6,69 5,30 5,23 7,25 4,81 6,06 4,66 6,57 5,23 Rys. 7. Rozkład frakcyjny pyłu w odniesieniu do R 0,09 dla q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,052 [kg/s]. Fig. 7. Fractional dust distribution with reference to R 0.09 for q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,052 [kg/s]. Zestawione wyniki pomiarów koncentracji, prędkości, reszty sitowej R 0,09 i strumienia masy pyłu w osi pionowej prezentuje rysunek nr 8. Dane pomiarowe dla wszystkich wielkości układają się w przybliżeniu w linii poziomej, co wskazuje, że zmiana głębokości aspiracji nie ma wpływu na zmianę wartości poszczególnych wielkości. Tym samym stanowi to kolejny dowód na to, że dla powyższych wzorcowych wielkości strumieni wprowadzonych do układu przepływ ma charakter jednorodny.

10 w [m/s], R0,09 [%] T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA R 90 w Y głębokość kanału [mm] qms [kg/s], Y [kg/kg] Rys. 8. Wartość Y, (w), q m, R 0,09 w zależności od głębokości kanału (głębokości aspiracji) dla q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,052 [kg/s]. Fig. 8. The values of Y, (w), q ms, R 0.09 depending on channel depth (aspiration depth) for q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,052 [kg/s]. Stwierdzenie, że liczby podobieństwa nie są jedynym kryterium przy ocenie charakteru przepływu znajduje potwierdzenie na rysunkach nr Pozostając przy wzorcowych liczbach Fr 320 i Re 3, przeprowadzono badania przy maksymalnym natężeniu przepływu fazy stałej. Otrzymane i wizualizowane na poniższych rysunkach wyniki wskazują, że przy opisie przepływu poziomego należy brać pod uwagę również zmianę udziału fazy stałej w mieszaninie. 0,102 0,102 0,117 0,115 0,115 0,101 0,118 0,12 0,123 0,117 0,137 0,12 0,133 0,126 0,13 0,137 Rys. 9. Rozkład koncentracji dla q mg = 0,95 [kg/s] i q ms2 = 0,125 [kg/s]. Fig. 9. Concentration distribution for q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,125 [kg/s].

11 Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną Wprawdzie omawiane rysunki nie wskazują jednoznacznie, że mierzony przypływ miał charakter rozwarstwiony (różnice w wartościach Y, w i R 0,09 są nieduże), jednakże na pewno nie można stwierdzić, że jest to przepływ jednorodny. Z uwagi na fakt, że jądro koncentracji i reszty sitowej zlokalizowane jest w dolnych obszarach, a różnice na poszczególnych poziomach kanału są niewielkie można mówić o profilu przejściowym, bądź zgodnie z systematyką zaproponowaną w [8] o zdegenerowanym przepływie jednorodnym. 26,25 26,22 25,51 25,89 25,68 26,41 25,79 25,56 25,44 25,69 24,98 25,43 25,13 25,39 25,01 24,87 Rys. 10. Rozkład prędkości dla q mg = 0,95 [kg/s] i q ms2 = 0,125 [kg/s]. Fig. 10. Velocity distribution for q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,125 [kg/s]. Szczegółowa, jak na możliwości metody grawimetrycznej, analiza rozkładów Y, w, q ms i R 0,09 przeprowadzona dla osi pionowej (rys. 12), potwierdza, że na charakter profili danego typu przepływów poziomych oprócz wartości liczb podobieństwa wpływ mają również siły tarcia i grawitacji (osiadanie pyłu i większych cząstek w kierunku dna kanału) oraz fizyczna wartość strumienia transportowanego pyłu. Ponadto istotnym parametrem jest średnica rurociągu.

12 w [m/s], R0,09 [%] T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA 0,23 1,08 6,90 6,19 6,66 1,09 6,64 7,66 6,65 1,09 12,98 7,82 8,74 7,61 15,29 14,11 Rys. 11. Rozkład frakcyjny pyłu w odniesieniu do R 0,09 dla q mg = 0,95 [kg/s] i q ms2 = 0,125 [kg/s]. Fig. 11. Fractional dust distribution with reference to R 0.09 for q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,125 [kg/s] R 90 w Y 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 qms [kg/s], Y [kg/kg] głębokość kanału [mm] Rys.12. Wartość Y, w, q ms, R 0,09 w zależności od głębokości kanału (głębokości aspiracji) dla q mg = 0,95 [kg/s] i q ms2 = 0,125 [kg/s]. Fig. 12. The values of Y, (w), q ms, R 0.09 depending on channel depth (aspiration depth) for q mg = 0,95 [kg/s] i q ms1 = 0,125 [kg/s]. Na rysunku nr 13 przedstawiono uśrednione wartości stężenia pyłu zmierzonego w warunkach quasi-równomiernego przepływu z całkowitym unoszeniem fazy stałej w 0,08

13 Y [kg/kg] Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną przestrzeni kanału. Jak można zauważyć, pomimo stosunkowo niskiego udziału pyłu w gazie nośnym, zarówno w przypadku pomiaru opisanego wariantem nr 1, jak i wariantem nr 2, wartość mierzonego stężenia jest niższa od wartości odniesienia. Jak wynika z prowadzonych doświadczeń i rozważań sytuacja taka ma dwie przyczyny. Po pierwsze - podstawą wyznaczenia wartości strumienia masy czynnika nośnego jest pomiar ciśnienia różnicowego i obliczenie prędkości przepływu gazu, przy czym istotnym parametrem jest wartość gęstości nośnika. Zazwyczaj przyjmuje się ją, jak dla czystego gazu, co w przypadku pomiarów mieszanin dwufazowych wprowadza błąd zawyżenia wartości wyznaczanego strumienia masy gazu, a w konsekwencji zaniżenia wartości koncentracji. Po drugie specyfika warunków przepływu dwufazowego, tj. obecność cząstek stałych w gazie, powoduje, że stosowane w pomiarach różnicowe sondy ciśnieniowe, tracą na dokładności, co oczywiście niekorzystnie wpływa na końcową wartość mierzonej koncentracji. Y wzorzec Y pomiar wariant 1 0,0545 Y pomiar wariant 2 0,054 0,0535 0,053 0,0525 0,052 0, nr pomiaru 4 Rys.13. Zmierzone wartości Y [kg/kg] dla q ms1 = 0,052 [kg/s] i q mg = 0,95 [kg/s] Fig. 13. Measured values of Y [kg/kg] for q ms1 = 0,052 [kg/s] i q mg = 0,95 [kg/s] Rysunek nr 14 prezentuje identyczną zależność, jak rysunek nr 13, a jedyną różnicą jest zmiana proporcji fazy stałej do gazowej. Różnica jest niezwykle istotna, gdyż bezpośrednio wpływa na wartość mierzonej koncentracji. Odchyłka mierzonych Y od wartości odniesienia wzrasta wraz ze wzrostem ilości pyłu w stałym strumieniu masy gazu. Otrzymane różnice, oprócz opisanych powyżej przyczyn, są także wynikiem (szczególnie w wariancie nr 1) technicznych kłopotów aparaturowych związanych z wyznaczaniem wartości p.

14 w [m/s] Y [kg/kg] T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA Y wzorzec Y pomiar wariant Y pomiar wariant nr pomiaru 4 Rys.14. Zmierzone wartości Y [kg/kg] dla q ms1 = 0,125 [kg/s] i q mg = 0,95 [kg/s] Fig. 14. Measured values of Y [kg/kg] for q ms1 = 0,125 [kg/s] i q mg = 0,95 [kg/s] Przepływ z wyraźnym rozwarstwieniem fazy stałej sprowadza duże trudności metrologiczne przy klasycznym pomiarze metodą grawimetryczną. Duża koncentracja często prowadzi do zatykania przewodów impulsowych, a nawet do zapychania pyłem końcówki sondy aspiracyjnej, co w rezultacie prowadzi do dużych błędów w pomiarze Y, w i q ms kryza rurka spiętrzająca aspiracja PA t [s] Rys. 15. Wartości prędkości w wyznaczonej metodą grawimetryczną dla punktu poboru nr 5, w funkcji stałej czasowej przebiegu aspiracji w odniesieniu do pomiarów zwężką i rurką spiętrzającą. Fig. 15. Velocity values w determined by gravimetric method for the sampling point 5, in the time constant function of aspiration with a reducer and an impact tube.

15 w [m/s] Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną Jak pokazują przedstawione na rysunkach nr 15 i 16 dane pomiarowe, w przypadku występowania wyraźnych różnic w wartościach koncentracji na poszczególnych poziomach aspiracji należy ograniczyć czas poboru próby do takiego minimum, które zapewni nie tylko separację wystarczającej ilości pyłu (w celu wyznaczenia Y, q ms ), ale również nie spowoduje zmniejszania prześwitu przewodów impulsowych kryza rurka spiętrzająca aspiracja PA t [s] Rys. 16 Wartości prędkości w wyznaczonej metodą grawimetryczną dla punktu poboru nr 8, w funkcji stałej czasowej przebiegu aspiracji w odniesieniu do pomiarów zwężką i rurką spiętrzającą. Fig. 16. Velocity values w determined by gravimetric method for the sampling point 8, in the time constant function of aspiration with a reducer and an impact tube. Jak wynika z powyższych rysunków wydłużenie czasu trwania pomiaru powoduje zawyżenie wartości w przy t > 30 [s]. Zakrzywienie punktów reprezentujących dane pomiarowe uwidacznia wpływ zatykania się otworów odbioru ciśnienia i przewodów impulsowych, co w konsekwencji wywołuje wzrost błędu w wyznaczeniu Y, a przy całkowitym zatkaniu dyskwalifikuje pomiar. Jak można było zaobserwować, pomiary wykonane w punkcie PA 8 (umiejscowionym najbliżej dna rurociągu), gdzie mierzona koncentracja fazy stałej była najwyższa, charakteryzują się bardziej dynamicznym przebiegiem zmian wartości prędkości niż w PA 5. 1 Jak wynika z badań przedstawionych w [7], zastosowanie dla układu z sondą wielootworową, impulsowego, wstecznego przedmuchiwania przewodów sprężonym powietrzem stanowi wyjście z sytuacji. Jednakże zastosowanie takiego układu w przypadku sond jednootworowych, ze względu na specyfikę aparatury, jest niezwykle kłopotliwe.

16 T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA Jednocześnie przeprowadzone badania wskazują, że użycie dla celów wyznaczenia p w poszczególnych punktach aspiracji, znormalizowanej rurki spiętrzającej nie powoduje takich zmian. Jest to związane z faktem, że średnica otworu w rurce spiętrzającej jest dużo większa niż w przypadku otworów odbioru ciśnienia w użytej w pomiarach sondzie typu duplex. Zastosowanie, dla celów wyznaczenia średniej prędkości przepływu w mieszaninie o dużym stężeniu pyłu, rurki spiętrzającej o znanej stałej K powoduje zmniejszenie błędu wyznaczania koncentracji. Urządzenie pomiarowe pozwala na wpisanie w funkcjonalne bloki aparaturowe stałego spadku ciśnienia p dla poszczególnych punktów aspiracji i przeprowadzenie poboru fazy stałej z mieszaniny dla zadanego współczynnika izokinetyczności H. Sposób wyznaczania średnich wartości zmierzonego p polega na przeprowadzeniu testu na wynik odbiegający, gdzie wartości pomiarów w poszczególnych punktach mieszczą się w przedziale ufności 95. Pomiar rurką spiętrzającą, jak każdy inny, również jest obarczony błędem, a metodykę obliczania niepewności przedstawiono w [4]. Zgodnie z [4] pomiar p, powinien być prowadzony na czystym gazie, jednakże wymogi badań wymuszają sondowanie kanału, którym płynie mieszanina dwufazowa. Obecność dwóch faz zwiększa błąd pomiaru, gdyż częściowy strumień pyłu wnika do sondy, jednakże stosowana od wielu lat praktyka obracania sondy o 180 o powoduje wyssanie cząstek stałych i umożliwia dalszy pomiar. Dysponując wynikami wartości fizycznych strumieni masowych obu faz oraz koncentracji, uzyskanymi przy użyciu obu metod, na podstawie wyrażenia 2 oszacowano błąd względny metody grawimetrycznej w odniesieniu do wyników przyjętych za wzorcowe. Błąd δy obliczono z (1): YZ YW Y *100[%] (2) Y W Rysunek nr 17 kompleksowo obrazuje wartość błędu względnego δy, dla całego zakresu pomiarowego, jaki miał miejsce na instalacji doświadczalnej. Błąd względny δy zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia masy pyłu, a tym samym wraz ze wzrostem koncentracji średniej. Wartości δy są najniższe dla mieszaniny, gdzie udział fazy stałej jest najmniejszy. Poza tym istotnym czynnikiem determinującym zmianę wartości δy jest liczba Frouda. Jak można zaobserwować, dla stałych wartości Y, błąd δy maleje wraz ze wzrostem Fr, przy czym dla wartości Y z zakresu 0,05 0,07 [kg/kg] wartość δy jest praktycznie niezależna od Fr. Jest to niewątpliwie związane z faktem, że przy Y 0,05 0,07 [kg/kg], przepływ charakteryzował się zbliżonym do jednorodnego rozkładem koncentracji w całym przekroju kanału. Charakterystyczne dla przepływu rozwarstwionego przesuwające się w kierunku dna kanału - jądro koncentracji, powodowało drastyczne zaniżenie mierzonej wartości Y w punktach umiejscowionych poniżej osi kanału, co istotnie wpływało na wartość wyznaczonej średniej koncentracji masowej. Przyczyną takiego stanu, jest bez wątpienia

17 błąd względny Y [%] Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną zwiększony udział pyłu, którego obecność, przy dużej koncentracji lokalnej, powoduje trudności w pomiarze ciśnienia statycznego. W konsekwencji wyznaczany strumień masy pyłu jest mocno rozrzedzony przez zawyżoną wartość strumienia masowego gazu i wartość Y jest niższa od rzeczywistej. Aspiracja i jednoczesny pomiar metodą grawimetryczną strumieni masowych obu faz, przy użyciu sondy jednootworowej obłożony jest dużym błędem przy przepływach rozwarstwionych Y= 0,054:0,070 kg/kg Y= 0,077:0,095 kg/kg Y= 0,100:0,118 kg/kg Y= 0,123:0,149 kg/kg Y= 0,162:0,230 kg/kg Fr Rys. 17. Błąd pomiaru δy dla zmierzonej grawimetrycznie koncentracji w funkcji liczby Frouda. Fig. 17. Measuring error for concentration (measured with the gravimetric method) versus Froud number Wyznaczenie średniej prędkości przepływu (i strumienia masy fazy nośnej) wiąże się nie tylko z pomiarem spadku ciśnienia p lecz również z precyzyjnym ustaleniem gęstości mieszaniny pyłowo powietrznej. Zazwyczaj przy grawimetrycznym pomiarze niskich koncentracji, udział fazy stałej jest na tyle mały, że wpływ gęstości fazy rozproszonej na gęstość mieszaniny jest znikoma i do pominięcia. W przypadku mieszanin charakteryzujących się średnią i dużą dyspersją ciała stałego, wpływ gęstości solidusa jest znaczny, co wymaga uwzględnienia przy wyznaczaniu gęstości mieszaniny i dalej przy prędkości jej przepływu. Uproszczony wzór Gasterstadta (3) pozwala na obliczenie tej wielkości. (1 Y ) (3) g * Z

18 błąd względny Y [%] T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA Zachowując warunki realizacji pomiarów zgodnie z obowiązującą metodyką - należy określić wartość koncentracji zmierzonej dla gęstości mieszaniny równej gęstości fazy nośnej. Następnie, korzystając z równania 3 obliczyć wartość gęstości zastępczej i dla tej wartości (i zmierzonego p) wyznaczyć poprawiony strumień masy zapylonego gazu i dalej wartości skorygowanej koncentracji. Wprawdzie proponowana metodyka nie znajduje potwierdzenia w literaturze, a zastosowane algorytmy są dalece uproszczone, jednak takie działanie wydaje się być pomocne przy zmniejszeniu błędu wyznaczania średniej koncentracji masowej. Otrzymane poprawione wartości błędu względnego δy, zostały zaprezentowane na rysunku nr 19 i obejmują pełny zakres prowadzonych badań. Porównując dane z rysunku nr 19 do wyników zaprezentowanych na rys. 18 można zauważyć, że pomiar metodą grawimetryczną obarczony jest dużo niższym błędem δy, względem metody odniesienia, przy uwzględnieniu w obliczeniach gęstości zastępczej fazy stałej. Jednocześnie przeprowadzona analiza wykazuje, że najistotniejszą przyczyną występowania różnic w wynikach uzyskanych metodą wzorcową i grawimetryczną jest problem z precyzyjnym ustaleniem prędkości przepływu (aparaturą służącą do pomiaru grawimetrycznego), na co wpływ ma przede wszystkim sposób wyznaczania koncentracji i techniczne rozwiązania zastosowanej sondy jednootworowej Y= 0,054:0,070 kg/kg Y= 0,077:0,095 kg/kg Y= 0,100:0,118 kg/kg Y= 0,123:0,149 kg/kg Y= 0,162:0,230 kg/kg Fr Rys. 18. Uwzględniający gęstość zastępczą mieszaniny błąd pomiaru δy dla zmierzonej grawimetrycznie koncentracji w funkcji liczby Frouda. Fig. 18. Measuring error δy including the substitute mixture density for concentration measured with the gravimetric method versus Froud number

19 Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną Dodatkowo istotnym, ze względu na duży wpływ na błąd pomiaru, jest dobór/utrzymanie współczynnika izokinetyczności H. Zastosowanie do obliczeń zastępczej gęstości mieszaniny wyraźnie wpływa na zmniejszenie błędu wartości koncentracji masowej względem przyjętej wzorcowej metody odniesienia (wzorcowej). Wartość błędu zmniejsza się niemalże o około 40% i taki stan występuje dla całego zakresu objętego badaniami. Wprowadzona gęstość zastępcza jest oczywiście wyższa od gęstości ośrodka gazowego, co w rezultacie prowadzi do wyznaczenia niższej wartości prędkości przepływu mieszaniny pyłowo powietrznej. Niższa prędkość, przy uwzględnieniu pola przekroju kanału, daje niższy strumień masowy nośnika, co ma już bezpośredni wpływ na wartość wyznaczanego stężenia pyłu. 4. WNIOSKI Przeprowadzona analiza wykazuje, że najistotniejszą przyczyną występowania różnic w wynikach uzyskanych metodą wzorcową i grawimetryczną jest problem z precyzyjnym ustaleniem prędkości przepływu (aparaturą służącą do pomiaru grawimetrycznego), na co wpływ ma przede wszystkim sposób wyznaczania koncentracji i techniczne rozwiązania zastosowanej sondy jednootworowej. Reasumując; wykorzystanie aspiracji sondą jednootworową może być stosowane w pomiarze koncentracji wyłącznie przy jednorodnym rozkładzie stężenia i prędkości poziomego przepływu solgazu, postępujący wraz ze wzrostem koncentracji proces nierównomierności rozkładu Y powoduje wyraźny wzrost systematycznego błędu metody przy wyznaczaniu średniej wartości koncentracji transportowej pyłu, w celu uniknięcia rosnącego wraz ze wzrostem Y błędu pomiaru p, przed poborem próbki pyłowej, punkty aspiracji należy sondować np. rurką spiętrzającą w sposób minimalizujący wpływ obecności fazy stałej na wynik tego pomiaru, dodatkowym sposobem zmniejszającym błąd wyznaczenia strumienia masy fazy nośnej jest określenie i zastosowanie w obliczeniach gęstości zastępczej mieszaniny. H współczynnik izokinetyczności isokinetic coefficient c skuteczność separacji, % separation effective OZNACZENIA - SYMBOLS

20 T. OLSZOWSKI, J. POSPOLITA K stała kalibracji calibration coefficient m masa, kg mass p ciśnienie, Pa pressure q m strumień masy, kg/s mass stream R pozostałość sitowa, % Angle gęstość, kg/m 3 density t czas, s time w prędkość, m/s velocity Y koncentracja masowa, kg/kg mass concentration NDEKSY DOLNE I GÓRNE SUBSCRIPTS AND SUPERSCRIPTS 1 dotyczy wariantu nr 1 denotes variant 1 2 dotyczy wariantu nr 2 denotes variant 2 g dotyczy fazy gazowej denotes gass phase s dotyczy fazy stałej denotes dust phase w dotyczy wartości zmierzonej grawimetrycznie denotes gravimetric measure value z dotyczy wartości uznanej za wzorzec denotes patten value PIŚMIENNICTWO CYTOWANE - REFERENCES [1] PN-Z :1994., Ochrona czystości powietrza. Badania zawartości pyłu. Pomiar stężenia i strumienia masy pyłu w gazach odlotowych metodą grawimetryczną. [2] PN-91/M-34131:1991. Energia cieplna. Instalacje młynowe. Pobieranie próbek pyłu. [3] ISO 9931:1991:, Coal Sampling of pulverized coal conveyed by gases in direct fired coal systems. [4] PN-81/M , Pomiary przepływu płynu. Pomiary prędkości przepływu za pomocą rurek spiętrzających. [5] MAZUR M., TEISSEYRE M., Accuracy of gravimetric method in measurement of pneumatically conveyed pulverized coal concentration and mass flow rate.; 5 th International Science-Practical Conference Problems Energy Saving, Lwów. Ukraine 2003.

21 Wybrane problemy wyznaczania stężenia pyłu w gazach metodą grawimetryczną [6] MAZUR M., TEISSEYRE M., Analiza metrologiczna grawimetrycznej metody pomiaru koncentracji i strumienia masy pyłu węglowego.; KN-T Energetyka Wrocław 2002, s [7] MAZUR M., TEISSEYRE M., Normalizacja poboru próbek pyłu węglowego zasilającego palniki kotłów energetycznych.; Raport serii Preprinty ITCiMP Politechnika Wrocławska nr 20/2001. Wrocław [8] MARCUS R.D., LEUNG L.S., KLINZING G.E., RIZK F.: Pneumatic conveying of solids.; Wydawnictwo Chapman and Hall. London, UK [9] OLSZOWSKI T., Pomiary grawimetryczne w transporcie pneumatycznym w rurociągach poziomych. Praca doktorska. Opole TOMASZ OLSZOWSKI, JANUSZ POSPOLITA TYTUŁ ARTYKUŁU W JĘZYKU ANGIELSKIM Dłuższe streszczenie artykułu w języku angielskim ( około 500 słów). W tym streszczeniu należy przedstawić istotne zagadnienia poruszane w pracy. Wpłynęło r.