BADANIA STRUKTURY PRZEPŁYWU W APARATACH FLUIDALNYCH RÓŻNEJ KONSTRUKCJI

Transkrypt

1 INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA 25, (2004) STANISŁAW ANWEILER, ROMAN ULBRICH BADANIA STRUKTURY PRZEPŁYWU W APARATACH FLUIDALNYCH RÓŻNEJ KONSTRUKCJI Politechnika Opolska, Katedra Techniki Cieplnej i Aparatury Przemysłowej ul. S. Mikołajczyka 5,45-271Opole Opracowano nową metodę pomiarową dla przepływu dwufazowego gaz-ciało stałe zwaną wideogrametrią. Pozwala ona na dynamiczną analizę czasowo-przestrzenną rozkładu koncentracji faz, dla przepływu mieszaniny gaz-ciało stałe wewnątrz aparatu fluidalnego, na podstawie analizy obrazu. Metodę zastosowano do oceny struktury przepływu oraz wpływu geometrii aparatu na rozkład udziału faz poprzez dynamiczną analizę obrazu dla różnych typów fluidyzacji. New optical measurement method for two phase gas-solid flow examination videogrametry was elaborated. This method allows dynamic space and time analysis of phase concentration distribution inside the fluidization apparatus. Method is based on digital image processing and analysis, and is applied for estimation of the two phase flow pattern and the vessel structure influence on distribution of phase concentration for different types of fluidization process. 1. WPROWADZENIE Technologia fluidyzacji ciała stałego gazem jest znana już od prawie 100 lat, lecz opis zachowania tego typu mieszaniny dwufazowej nadal nastręcza sporo problemów. Spowodowane to jest oddziaływaniem ogromnej liczby cząstek, nie tylko między sobą, ale także z ścianami aparatu oraz z obiektami wewnątrz. Zjawisko oddziaływania konstrukcji aparatu na formę przepływu dwufazowego nasila się wraz ze wzrostem skomplikowania jego kształtu. Dynamiczny opis ruchu takiego zbioru cząstek wymaga szczegółowych informacji na temat czynników powodujących powstanie odpowiedniej formy przepływu dwufazowego i stwarza możliwość zastosowania analizy obrazu oraz analizy procesów stochastycznych. Opracowano nową metodę pomiarową dla przepływu dwufazowego gaz-ciało stałe, zwaną wideogrametrią. Pozwala ona na dynamiczną analizę czasowo-przestrzenną rozkładu koncentracji faz dla przepływu mieszaniny gaz-ciało stałe wewnątrz aparatu fluidalnego na podstawie analizy obrazu. Metodę zastosowano do oceny struktury

2 S. ANWEILER, R. ULBRICH przepływu oraz wpływu geometrii aparatu na rozkład udziału faz poprzez dynamiczną analizę obrazu oraz analizę procesów stochastycznych dla różnych typów fluidyzacji. 2. STANOWISKO POMIAROWE Badania przeprowadzono na trzech dwuwymiarowych [1] modelach kolumn fluidalnych. Analizie poddano aparaty fluidalne do prowadzenia procesów: fluidyzacji klasycznej (pęcherzykowej) komora z rusztem sitowym; fluidyzacji fontannowej komora stożkowa z centralnym kanałem wznoszącym; fluidyzacji szybkiej kolumna fluidalna z cyrkulującym złożem [2]. Przedmiotem badań była ocena struktury przepływu mieszaniny dwufazowej gaz-ciało stałe w aspekcie wpływu kształtu komory na strukturę przepływu, a w szczególności na przestrzenny rozkład faz. Cząstki o średnicach 1,0 lub 6,0 mm i gęstości rzędu 1000 kg/m 3 były fluidyzowane powietrzem. Wizualizacja procesu była możliwa dzięki zastosowaniu przezroczystego materiału do budowy modeli aparatów oraz cyfrowej kamery do szybkich zdjęć o wysokiej rozdzielczości. Urządzenie to pozwala uzyskać monochromatyczny obraz w formie cyfrowej mapy bitowej o rozdzielczości do 1024x1024 pikseli, zaś częstotliwość rejestracji obrazów sięga 1800 Hz. Ponieważ wartości takich parametrów, jak transport ciepła, masy i pędu silnie zależą od stanu hydrodynamicznego złoża, to rodzaj i struktura przepływu mieszaniny dwufazowej stanowi podstawowy parametr do określania tych wartości podczas prowadzenia procesów w aparatach o różnej konstrukcji. Osiągnięcie i utrzymanie odpowiednich wartości wspomnianych parametrów jest decydujące z punktu widzenia fizykalnych warunków przeprowadzenia danego procesu [3] FLUIDYZACJA KLASYCZNA Fluidyzacja pęcherzykowa jest jednym z rodzajów fluidyzacji klasycznej, gdzie cząstki ciała stałego są unoszone w górę i mieszane przez strumień płynu wewnątrz kanału przepływowego. Złoże cząstek spoczywa na ruszcie, natomiast odpowiedni przepływ płynu kształtuje strukturę przepływu dwufazowego. Typowe struktury podczas fluidyzacji klasycznej to pęcherzykowa, korkowa i turbulentna. Są one pokazane na rysunku 1a. Kanał pomiarowy do fluidyzacji klasycznej stanowiła rura o przezroczystego materiału o prostokątnym przekroju poprzecznym. Jej wymiary to: szerokość 300 mm, wysokość 1200 mm, grubość 30 mm. W dolnej części kolumny zamocowano ruszt podtrzymujący materiał złoża. Prędkość powietrza używanego do klasycznej fluidyzacji ciała stałego gazem mieściła się w zakresie od 1,4 2,8 m/s, liczona na pusty kanał. Na rysunku 1a pokazano charakterystyczne struktury przepływu dwufazowego. Kolejno od lewej struktura pęcherzykowa, struktura korkowa i struktura burzliwa FLUIDYZACJA FONTANNOWA Fluidyzacja fontannowa stosowana jest wtedy, gdy wymagany jest ustabilizowany przepływ mieszaniny w środkowej części aparatu, np. w przypadku powlekania cząstek inną substancją. Aby to osiągnąć umieszcza się osiowo, wewnątrz kolumny, odcinek

3 Struktura przepływu w aparatach fluidalnych kanału o mniejszej średnicy. Tego typu konstrukcja pozwala ukształtować strugę mieszaniny gaz-ciało stałe w rodzaju fontanny. Efekt ten pokazany jest na rysunku 1b. Dzięki zastosowaniu centralnej rury wznoszącej wybraną strukturę można utrzymać w stabilnym stanie przez dowolnie długi okres czasu. Kanał pomiarowy złożony składał się z dwóch komór: stożkowej i prostokątnej. Wykonany był również w postaci dwuwymiarowej, przezroczystej kolumny o wymiarach: szerokość 300 mm, wysokość 1650 mm, grubość 30 mm. Wewnątrz kolumny osiowo zamocowano kanał o szerokości 50 mm, grubości 30 mm i długości 360 mm. Rys. 1. Przykładowe obrazy różnych typów i struktur fluidyzacji cząstek ciała stałego gazem: a) fluidyzacja klasyczna (od lewej: struktura pęcherzykowa, korkowa, burzliwa); b) fluidyzacja fontannowa; c) fluidyzacja szybka. Fig. 1. Example images of different types and patterns of gas-solid fluidization: a) classical fluidization (bubbling, plug, turbulent); b) jet-spouted fluidization; c) fast circulating fluidized bed. Prędkość powietrza używanego do fontannowej fluidyzacji ciała stałego mieściła się w zakresie od 3,7 16,7 m/s, liczona na pusty kanał wewnątrz rury wznoszącej FLUIDYZACJA SZYBKA Szybka fluidyzacja, często zwana cyrkulacyjną, posiada wiele przemysłowych zastosowań. Prędkość strumienia płynu wielokrotnie przewyższa prędkość swobodnego opadania pojedynczej cząstki ciała stałego. Powoduje to zanik dobrze znanych właściwości złoża klasycznego, jak pęcherze oraz swobodna powierzchnia. Zamiast tego, dolna, bardziej gęsta część złoża, zmienia swój stan na burzliwy i dodatkowo znaczna część materiału złoża ulega unoszeniu. W celu uzyskania stabilnego przepływu mieszaniny gaz-

4 S. ANWEILER, R. ULBRICH ciało stałe o danym charakterze struktury wymagane jest doprowadzanie nowego materiału lub jego recyrkulacji [4]. Kolumnę do fluidyzacji cyrkulacyjnej stanowiły dwa kanały przepływowe z przezroczystego materiału, o prostokątnym przekroju poprzecznym. Jeden do unoszenia cząstek ciała stałego, drugi do swobodnego ich opadania. Rysunek 1c przedstawia badaną kolumnę. Wymiary kolumny to: szerokość 300 mm, wysokość 2500 mm, grubość 30 mm. Wymiary kanału pomiarowego to szerokość 60 mm, wysokość 2100 mm, grubość 30 mm. Na wlocie powietrza, w dolnej części kolumny zamocowano ruszt podtrzymujący materiał złoża oraz zastosowano filtr do zatrzymania unoszonych cząstek ciała stałego. Prędkość powietrza używanego do szybkiej fluidyzacji ciała stałego gazem mieściła się w zakresie od 10,0 15,5 m/s, liczona na pusty kanał. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW Dziedzina badań zajmująca się określeniem struktury przepływu mieszanin dwufazowych jest obszerna i wykorzystuje wiele różnorodnych metod. Jedna z nich jest Rys. 2. Przykładowe wyniki dynamicznej analizy obrazu dla dwóch typów struktur przepływu. Fig. 2. Example results of dynamic image analysis for two types of flow pattern. wideogrametria optyczna metoda, oparta na cyfrowej analizie obrazu i ocenie stanu hydrodynamicznego mieszaniny, z zastosowaniem funkcji stochastycznych. Polega ona na wykonaniu sekwencji zdjęć przedstawiających stan mieszaniny wewnątrz aparatu. Zdjęcia to mapy bitowe z zapisanym rozkładem powierzchniowym, chwilowej koncentracji fazy ciała stałego, w postaci rozkładu poziomu jasności pikseli obrazu. Jeśli zbadamy poziom szarości kolejnych obrazów, to okaże się, że fluktuacja poziomu jasności

5 Struktura przepływu w aparatach fluidalnych zależy nie tylko od miejsca, ale także od czasu. Otrzymamy, więc czasoprzestrzenną charakterystykę zmian poziomu jasności obrazu często używa się określenia "poziom szarości obrazu". Korelacyjna analiza wyników zmian poziomu szarości obrazu pokazuje, że każdy rodzaj przepływu posiada swój własny wzór tych zmian. Dodatkowo analiza stochastyczna wprowadza informacje nt. procesu w dziedzinie częstotliwości [5]. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy wynik analizy procesu dla fluidyzacji klasycznej oraz szybkiej [3]. 4. PODSUMOWANIE Badano trzy rodzaje fluidyzacji klasyczną, szybką i fontannową. Proces prowadzono w dwuwymiarowych modelach aparatów. Do tej pory nie próbowano porównywać trzech odmiennych typów procesów za pomocą jednej metody badawczej. Wideogrametria jest kompleksowa metodą badawczą złóż fluidalnych do oceny struktury przepływu oraz wpływu różnych konstrukcji aparatów na strukturę przepływu, która pozwala na porównanie różnych rodzajów fluidyzacji oraz służy weryfikacji metod wykorzystujących numeryczne modelowanie procesów. Każdy rodzaj struktury przepływu posiada swój osobliwy charakter zmiany poziomu szarości, rozkładu gęstości prawdopodobieństwa oraz wykresu autokorelacji. Z uzyskanych wyników można wyprowadzić korelacje, które posłużą do przewidywania struktury przepływu w aparatach różnej konstrukcji a także do opracowania bazy wzorów fluktuacji zawartości faz. PIŚMIENNICTWO CYTOWANE [1] DYAKOWSKI T., JAWORSKI A. J., Application of Tomographic techniques for imaging fluidized beds, Proc. Int. Conf "Conveying and Handling of Particulate Solids", Israel 2000, [2] ANWEILER S., ULBRICH R., Analiza Obrazu w Badaniach Cyrkulacyjnego Złoża Fluidalnego, Inż. Ap. Chem. 2003, 5s, [3] ANWEILER S., ULBRICH R., Potentials of Automatized Evaluation of Two-Phase Gas-Solid Flow Pattern, Proc. Int. Conf. Automatization: problems, ideas, solutions, Ukraina 2003, [4] Molerus O., Principles of Flow in Disperse Systems, Chapman&Hall, London 1993, 156. [5] ANWEILER S., ULBRICH R., Application of Digital Image Analysis in Recognition of Flow Pattern for Two-Phase Gas-Solid Mixture, Proc. Eurotherm Sem. 71 "Visualization, Imaging and Data Analysis In Convective Heat and Mass Transfer", France 2002, STANISŁAW ANWEILER, ROMAN ULBRICH FLOW PATTERN FOR DIFFERENT FLUIDIZATION APPARATUSES Technology of solid particles fluidization with gas stream is known for almost 100 years, but behaviour description of such two phase mixture still causes problems. This is because of the huge amount of particles, which interacts between themselves, walls and other obstacles inside the vessel. The flow structure of moving mixture has crucial meaning for heat, mass and momentum transfer. New optical measurement method for two phase gas-solid flow examination videogrametry was elaborated. It allows dynamic space and

6 S. ANWEILER, R. ULBRICH time analysis of phase concentration distribution inside the fluidization apparatus. Method is based on digital image processing and analysis, and is used for estimation of flow pattern and vessel structure influence on phase concentration for different types of fluidization regimes for bubbling, fast and jet-spouted fluidization. Images are recorded using high speed CCD camera up to 1800 fps. Than dynamic analysis of digital images follows. Fluctuation of the flowing mixture is expressed as change of brightness of the image's pixels. Experiments are held in two-dimensional, transparent channels. The result of the videogrametric analysis is space-time characteristic of the situation in the apparatus. Different kind of flow is described by different realization of grey level fluctuation function in time and place. It means that each type of flow pattern has its own unique brightness level fluctuation pattern. Additional application of random (stochastic) signal analysis particularly autocorrelation and probability density function allows the analysis of the process in frequency domain. Complex analysis of the fluidised bed condition all over the apparatus in one time videogrametry is measurement method which can be used for the basic study of flow pattern and influence of the geometrical shape of the vessel on fluidisation process, for optimising present solutions and for designing new, more effective apparatuses. Also it can be used as a verification for numerical methods. The subject of further research is to prepare a database of gay level fluctuation functions for the purpose of automatized flow pattern recognition system.