ANWEILER Stanisław 1 MASIUKIEWICZ Maciej 2 Wizualizacja transportu pneumatycznego w przewodzie pionowym WSTĘP Dynamiczny rozwój wielu gałęzi przemysłu oraz wdrażanie nowych technologii wiąże się z koniecznością operowania mieszaninami wielofazowymi w procesach technologicznych. Przepływy wielofazowe nabierają szczególnego znaczenia w procesach pneumo- i hydrotransportu. Typowymi dla inżynierii chemicznej i procesowej są zagadnienia transportu pneumatycznego i hydraulicznego ze szczególnym uwzględnieniem transportu przewodami stężonych zawiesin na znaczne odległości oraz transport mieszanin gaz-ciecz [2]. Obecnie we wszystkich gałęziach przemysłu dąży się do ograniczenia energochłonności procesów. W przypadku transportu pneumatycznego sprowadza się to do osiągnięcia jak najwyższej masowej koncentracji transportowej, którą definiuje się jako stosunek masy transportowanego materiału do masy płynu użytego do tego transportu [7]. Głównym zagadnieniem w przepływach dwufazowych jest jego reżim pracy układów transportowych. Ma on zasadniczy wpływ na masową koncentrację transportową. Cechą charakterystyczną danego reżimu przepływu jest struktura przepływu. Struktura przepływu, a zwłaszcza jej zmiany są obiektem wizualizacji. Poszukiwanie charakterystycznych cech struktury przepływu, które umożliwiają kontrolę reżimu pracy przenośników pneumatycznych stanowi jeden z wielu nurtów badań [3]. Rys. 1. Przykładowe schematy urządzeń do transportu pneumatycznego: a) pneumatyczny przenośnik do materiałów sypkich, b) pompa aeracyjna. 1 Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny, ul. Mikołajczyka 5, 45-271 Opole, s.anweiler@po.opole.pl 2 Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny, ul. Mikołajczyka 5, 45-271 Opole, m.masiukiewicz@po.opole.pl 2256
Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie przykłady urządzeń realizujących proces transportu pneumatycznego. Zasada działania obu aparatów oparta jest na przepływie mieszaniny dwufazowej. Rysunek 1a prezentuje pneumatyczny przenośnik materiału sypkiego, natomiast rysunek 1b pompę aeracyjną. Celem badań jest wizualizacja przepływu mieszanin dwufazowych gaz-ciecz oraz gaz-ciało stałe. Przepływ realizowany jest w kanale pionowym. Na podstawie dokonanych rejestracji zaprezentowano możliwości uzyskiwania informacji z obrazu do celów rozpoznawania struktury przepływu. Dzięki prawidłowemu rozpoznaniu struktury przepływu mieszaniny dwufazowej w funkcji czasu istnieje możliwość rozwiązania problemu niestabilności przepływu w przenośnikach pneumatycznych. Niestabilności przepływu mają bowiem bezpośrednie przełożenie na energochłonność oraz efektywność procesów pod względem zapotrzebowania na pracę i energię. 1. OPIS PROBLEMU BADAWCZEGO Wiedza na temat tworzącej się struktury przepływu mieszaniny dwufazowej ma decydujące znaczenie podczas obliczeń procesowych. Struktura ta wpływa bowiem w podstawowy sposób na zjawiska przenoszenia pędu, ciepła i masy. Takie wielkości jak udział objętościowy, opory przepływu czy współczynniki wnikania ciepła i masy w mieszaninie dwufazowej są zdeterminowane przez strukturę przepływu [2]. Transport pneumatyczny to dwufazowy proces przepływowy polegający na przemieszczaniu cząstek w przewodzie otwartym lub zamkniętym, pod wpływem sił wywołanych przepływem powietrza (lub innych gazów). W zależności od wielkości ciśnienia powietrza rozróżniamy transport nisko-, średnio- i wysokociśnieniowy [7]. Do momentu przejścia układu w stan transportu pneumatycznego występuje cały szereg struktur przepływu płynu dwufazowego. Z punktu widzenia przenoszenia materiału są one pewnego rodzaju zaburzeniami. Konieczne więc staje się ich scharakteryzowanie. Na rysunku 2 przedstawiono schematycznie problem stanów granicznych w procesach transportu pneumatycznego. Rys. 2. Stany graniczne w procesach transportu pneumatycznego: a) transport pneumatyczny, b) pulsacja materiału, c) opadanie i cyrkulacja. Pionowy transport pneumatyczny rozpoczyna się gdy faza transportowana nie opada, lecz porusza się współprądowo z fazą transportującą, co schematycznie przedstawiono na rysunku 2a. Rysunek 2c prezentuje efekty opadania i cyrkulacji fazy transportowanej w urządzeniu podczas niedostatecznego strumienia fazy transportującej lub zbyt dużego podawania materiału transportowanego. Pomiędzy tymi stanami występuje obszar pulsacji pokazany na rysunku 2b, który składa się z szeregu 2257
specyficznych struktur mieszaniny dwufazowej [6]. Ten typ przepływu stanowi zaburzenie z punktu widzenia transportu pneumatycznego. Kontrola pracy przenośników pneumatycznych wymaga więc znajomości możliwie dużej liczby stanów niestabilności. Z tego powodu wykonano badania w zakresie prędkości fazy gazowej obejmujące wymienione na rysunku 2 stany graniczne. 2. WIZUALIZACJA TRANSPORTU PNEUMATYCZNEGO Wizualizację omawianych procesów przeprowadzono na stanowiskach badawczych, których głównym elementem były przezroczyste kanały przepływowe, schematycznie przedstawione na rysunku 3. Rys. 3. Wymiary kanałów przepływowych wraz z przekrojami: a) kanał do wizualizacji transportu pneumatycznego materiałów sypkich, b) kanał do wizualizacji transportu pneumatycznego cieczy. Wizualizację transportu pneumatycznego przeprowadzono dla dwóch układów dwufazowych, których składniki scharakteryzowano w Tabeli 1. Tab. 1. Charakterystyczne parametry składników mieszaniny Nazwa Wartość Układ dwufazowy Gaz Ciecz Gaz Ciało stałe Składnik transportujący: temperatura gęstość lepkość dynamiczna Powietrze 20 ºC 1,16 kg/m 3 18,2 10-6 Pa s Powietrze 20 ºC 1,16 kg/m 3 18,2 10-6 Pa s Składnik transportowany: Woda Granulat polimerowy temperatura 20 ºC 20 ºC gęstość 998 kg/m 3 1050 kg/m 3 minimalna prędkość fluidyzacji - 1,38 m/s lepkość dynamiczna 10 10-4 Pa s - Wizualizację przeprowadzono techniką jasnego pola, której ideę przedstawiono na rysunku 4. Polega ona na oświetleniu kanału jednorodnym polem świetlnym oraz wykorzystaniu zjawiska 2258
transmitancji, absorpcji oraz rozpraszania światła do uzyskania obrazów struktury mieszaniny dwufazowej. Rys. 4. Schemat ideowy wizualizacji procesu techniką jasnego pola. Proces transportu pneumatycznego charakteryzuje się dużą dynamiką, z tego względu wymaga zastosowania specjalnych technik pomiarowych. W szczególności powinny być nieinwazyjne i umożliwić rejestrację szybkozmiennych zjawisk. Te i inne wymagania spełniają między innymi metody wizualizacyjne oparte na szybkiej rejestracji obrazów. Rys. 5. Wpływ częstotliwości rejestracji na jakość obrazu dla transportu pneumatycznego: a) rozmycie cząstek przy częstotliwości 25 klatek na sekundę (fps), b) poprawny obraz uzyskany przy częstotliwości 200 fps, dla układu gaz-ciało stałe; c) rozmycie i powiększenie obiektów przy częstotliwości 25 fps, d) poprawny obraz uzyskany przy częstotliwości 100 fps, dla układu gaz-ciecz. Wizualizacja transportu pneumatycznego wymaga prawidłowego doboru parametrów rejestracji. Szczególnie ważnymi w tym przypadku są prędkość zapisu i oświetlenie. Efekt niedostatecznej szybkości rejestracji obrazu przedstawiono na rysunku 5. Dla przypadku transportu pneumatycznego ciała stałego rysunek 5a przedstawia artefakty graficzne w postaci śladów torów cząstek. Są to obiekty w rzeczywistości nieistniejące, które w procesie analizy obrazu dostarczą nieprawidłowych odczytów. 2259
Problem ten rozwiązano poprzez zastosowanie dużej częstotliwości rejestracji obrazu, co umożliwiło uzyskanie ostrej, wyraźnej reprezentacji struktury przepływu na rysunku 5b. Natomiast podczas tłoczenia cieczy przy pomocy gazu obraz uzyskany przy częstotliwości rejestracji 25 fps charakteryzuje się rozmyciem krawędzi obiektów oraz ich pozornym powiększeniem względem rzeczywistych rozmiarów. Efekt ten zaprezentowano na rysunku 5c. Z punktu widzenia kolejnych etapów analizy obrazu konieczne jest uzyskanie wyraźnych odwzorowań powierzchni międzyfazowej. Również w tym przypadku uzyskanie takiego efektu możliwe jest poprzez zwiększenie częstotliwości rejestracji. Przykładowe prawidłowe odwzorowanie zjawisk przepływowych, które uzyskano przy częstotliwości rejestracji 100 fps przedstawia rysunek 5d. Innym istotnym parametrem z punktu widzenia prawidłowej oceny struktury jest rozdzielczość obrazu. Aby odwzorowanie obiektów było jak najdokładniejsze należy dążyć do rejestracji z jak największą rozdzielczością. Dzięki temu zabiegowi na obrazie będą widoczne nawet najmniejsze obiekty. Jednak zwiększanie rozdzielczości powoduje znaczny wzrost objętości danych, a w efekcie utrudnia ich archiwizację oraz wydłuża proces analizy. Dlatego w rejestracjach przemysłowych należy odnaleźć kompromis między rozdzielczością a objętością uzyskiwanego pliku graficznego. Tabela 2 prezentuje wpływ rozdzielczości obrazu na wartość obliczonego obwodu i pola referencyjnego obiektu. Tab. 2. Prezentacja błędu pomiaru parametrów koła, otrzymane w wyniku analizy obrazu programem Aphelion, w zależności od rozdzielczości obrazu, wg [8] Obraz referencyjnego obiektu o stałej średnicy D przy różnej rozdzielczości rozdzielczość [pix] 100 75 50 25 16 10 7 Względny błąd pomiaru obwodu [%] < 1-1 - 6-10 - 10-10 - 14 Względny błąd pomiaru pola powierzchni [%] < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 + 1-4 Przedstawione w tabeli 2 wartości błędów mniejszych od 1% są pomijalne. Niedoszacowane i przeszacowane wartości są zapisywane odpowiednio jako - i +. Pola powierzchni są wyliczane prawidłowo dla większości średnic. Obwody natomiast wykazują stały, narastający błąd. Wizualizacji procesu transportu pneumatycznego dokonano przy odpowiedniej konfiguracji rejestracji, przedstawionej w tabeli 3. Na rysunku 6 zaprezentowano wynik wizualizacji struktury mieszaniny dwufazowej gaz-ciało stałe. Zarejestrowano poszczególne stany graniczne, od braku transportu cząstek ciała stałego widoczne na rysunku 6a, poprzez poszczególne etapy pulsacji do w pełni rozwiniętego transportu pneumatycznego na rysunku 6g. Tab. 3. Parametry wizualizacji procesu transportu pneumatycznego. Układ dwufazowy Gaz Ciecz Gaz Ciało stałe Maksymalna prędkość u G0 [m/s] 5,6 14,8 Częstotliwość rejestracji [fps] 456 182 Rozdzielczość obrazu [pix pix] 1024 256 1024 256 2260
Rys. 6. Przykład wizualizacji ewolucji struktury przepływu mieszaniny dwufazowej gaz-ciało stałe dla rosnącej prędkości fazy gazowej. Na rysunku 7 zaprezentowano wynik wizualizacji struktury mieszaniny dwufazowej gaz-ciecz. Proces realizowano w taki sposób aby wytworzyć stany graniczne od braku transportu cieczy (rysunek 7a), poprzez poszczególne reżimy pracy układu transportującego ciecz, do w pełni rozwiniętego transportu pneumatycznego (rysunek 7g). Wizualizacja została przeprowadzona dla odcinka kanału transportowego znajdującego się poniżej swobodnego zwierciadła cieczy. Rys. 7. Przykład wizualizacji ewolucji struktury przepływu mieszaniny dwufazowej gaz-ciecz dla rosnącej prędkości fazy gazowej. 2261
W wyniku przeprowadzonej wizualizacji otrzymano serie sekwencji obrazów, które składają się z reprezentujących omówione wcześniej stany graniczne. Uzyskane surowe obrazy wyróżniają się właściwymi cechami z punktu widzenia rozpoznawania obiektów. Cechy te to m.in. wyraźne krawędzie i rozróżnialność obiektów. Pozwalają one zastosować analizę obrazu w celu scharakteryzowania struktury mieszaniny dwufazowej. Wszystkie zarejestrowane struktury można przyporządkować do ogólnej nomenklatury struktur dwufazowych prezentowanej w literaturze [2, 5, 6]. 3. ANALIZA OBRAZU Analiza obrazu jest częścią wizualizacji procesów. Opiera się na metodach wydobywania informacji z obrazów w postaci numerycznej lub symbolicznej. Analizę poprzedza obróbka obrazu, która ma za zadanie wydobyć interesujące obiekty, usunąć szumy i nieistotne informacje [8]. Ponieważ struktura mieszaniny determinuje charakter przepływu, zastosowana analiza obrazu była ukierunkowana na identyfikację i ocenę danej struktury. Identyfikację prowadzono dwiema metodami w zależności od rodzaju układu dwufazowego. Pierwsza metoda to analiza fluktuacji poziomu szarości obrazu (PSO). Druga metoda to stereologiczna analiza obrazu [1, 4]. Na podstawie analizy zmian poziomu szarości obrazu w badanym obszarze dokonano oceny procesu transportu pneumatycznego materiału sypkiego. Charakter przepływu mieszaniny dwufazowej gaz-ciało stałe, można odwzorować za pomocą prezentacji graficznej w postaci wykresów przebiegu zmian poziomu szarości obrazu przedstawionych na rysunku 8. Przebiegi tego typu poddaje się analizie fluktuacji jasności obrazu. Wynikiem takiej dynamicznej analizy obrazu jest dyskretny sygnał, z zapisanym charakterem oscylacji poziomu szarości w czasie i przestrzeni aparatu. Sygnał ten z kolei, analizowany jest za pomocą narzędzi do badania procesów stochastycznych, poprzez cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Rys. 8. Przykładowe przebiegi czasowe fluktuacji poziomu szarości obrazu dla charakterystycznych stanów granicznych pionowego transportu pneumatycznego materiałów sypkich. Na rysunku 8 wyraźnie zaobserwować można podział charakterystycznych stanów granicznych dla pneumatycznego transportu materiałów sypkich. Analiza fluktuacji poziomu szarości 2262
Stereologia PSO przeprowadzona została w obszarze zaznaczonym ramką w dolnej części aparatu. Rysunek 8a i 8b przedstawia typowe przebiegi zmian PSO dla zjawisk pulsacji. Rysunek 8c. prezentuje zanik pulsacji podczas przechodzenia do transportu, natomiast rysunek 8d. przedstawia typowy przebieg zmian poziomu szarości obrazu dla transportu pneumatycznego. Ocena struktury technikami stereologicznymi natomiast oparta jest na metodzie rekonstrukcji trójwymiarowej struktury na podstawie jej dwuwymiarowych reprezentacji (np. na podstawie przekrojów). Do celów eksperymentalnej oceny struktury wybrano 5 parametrów stereologicznych. Na rysunku 9 zaprezentowano metodologię zastosowaną podczas stereologicznej analizy obrazu struktury mieszaniny gaz-ciecz. Surowy obraz struktury poddawany jest procesom obróbki w celu wydobycia cech umożliwiających analizę. Na przetworzony obraz rzutowane są sieczne, które przecinają obiekty na obrazie. Uzyskane w ten sposób cięciwy umożliwiają wyznaczenie parametrów stereologicznych. Rys. 9. Idea wykorzystania technik stereologicznych do parametryzacji struktury mieszaniny dwufazowej. W wyniku zastosowania opisanych metod analizy obrazu otrzymano zestawy parametrów w funkcji czasu. W tabeli 4 zestawiono wszystkie wykorzystane do oceny struktury parametry. Tab. 4. Parametry wykorzystywane w badaniach. Metoda Parametr Opis M min Minimalna wartość poziomu szarości obrazu M max Maksymalna wartość poziomu szarości obrazu M śr Średnia wartość poziomu szarości obrazu M σ Odchylenie standardowe M A Amplituda zmian poziomu szarości obrazu Ī Długość średniej cięciwy obiektów [m] N V Liczba obiektów [1/m 3 ] S V Wielkość powierzchni międzyfazowej [m 2 /m 3 ] V V Udział objętościowy [%] λ Średnia odległość swobodna [m] Na podstawie analizy zmienności wymienionych parametrów w zależności od wystąpienia stanów granicznych transportu pneumatycznego można charakteryzować ten proces jakościowo oraz ilościowo. Tego typu ocena może być z powodzeniem zastosowana zarówno do układów gaz-ciało stałe jak i dla układów gaz-ciecz. 2263
4. WYNIKI BADAŃ Ocenę parametryczną struktury przepływu płynu dwufazowego przeprowadzono zarówno jakościowo jak i ilościowo. Podczas oceny jakościowej rodzaj struktury jest określany na podstawie porównania wartości parametrów do standardowej klasyfikacji struktur. Podczas oceny ilościowej wyznaczone parametry pozwalają określić współczynniki przepływowe, takie jak udział objętościowy, prędkość fazy transportowanej, powierzchnię międzyfazową, które są niezbędne podczas obliczeń procesowych. Dzięki temu określono obszary zaburzeń przepływu i charakterystycznych stanów granicznych. Rys. 10. Przykładowy wynik analizy statystycznej przebiegów czasowych fluktuacji poziomu szarości obrazu w funkcji prędkości gazu. Rys. 11. Przykładowy wynik analizy statystycznej przebiegów czasowych fluktuacji wartości parametrów stereologicznych obrazu w funkcji prędkości gazu Na rysunku 10 zaprezentowano wynik analizy statystycznej przebiegów czasowych fluktuacji poziomu szarości obrazu w funkcji prędkości gazu. Natomiast na rysunku 11 zaprezentowano wynik analizy statystycznej przebiegów czasowych fluktuacji wartości parametrów stereologicznych obrazu 2264
w funkcji prędkości gazu. Na obu wykresach zaznaczono obszary występowania charakterystycznych struktur rozdzielonych liniami stanów granicznych. WNIOSKI Identyfikacja i ocena procesu transportu pneumatycznego na podstawie wizualizacji wymaga wykorzystania zestawu parametrów charakteryzujących strukturę płynu dwufazowego. Otrzymane wartości parametrów uporządkowane wg wzrastającej prędkości fazy transportującej umożliwiają charakterystykę struktury przepływu oraz identyfikację punktów zmiany reżimu pracy układów transportowych. Punkty te są na tyle wyraźne i rozróżnialne, że uznano je za wystarczające by na ich podstawie możliwa była budowa układów sprzężenia zwrotnego, służących automatycznej identyfikacji oraz regulacji procesu transportu pneumatycznego. Ocena ilościowa dodatkowo pozwala poszukiwać punktu występowania transportu o najwyższej masowej koncentracji transportowej. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki eksperymentalnej analizy transportu pneumatycznego z wykorzystaniem wizualizacji oraz analizy obrazu. Transport pneumatyczny realizowano w układzie gaz-ciało stałe i gaz-ciecz w pionowym kanale. Wizualizację przeprowadzono z zastosowaniem szybkiej fotografii. Analizę uzyskanych obrazów z punktu widzenia struktury przepływu wykonano dwiema metodami. Pierwsza metoda to analiza fluktuacji poziomu szarości obrazu. Druga metoda opiera się na analizie obrazu technikami stereologicznymi. W wyniku przeprowadzonych obliczeń otrzymano szereg specyficznych parametrów. Na podstawie tych parametrów wyznaczono charakterystyczne stany graniczne transportu pneumatycznego. Słowa kluczowe: transport pneumatyczny, wizualizacja procesów, szybka fotografia, analiza obrazu, parametryzacja procesu transportowego Visualization of pneumatic transport in a vertical pipe Abstract The paper presents the results of an experimental analysis of pneumatic transport using visualization and image analysis. Pneumatic transport was carried out in gas-solid and gas-liquid interface in a vertical channel. Visualization was performed using flash photography. The analysis of the obtained images were performed by two methods. The first method was the analysis of image gray level fluctuations. The second method was based on image analysis with stereological techniques. A series of specific parameters have been obtained as a result of calculations. On the basis of the characteristic parameters boundary conditions of pneumatic transport was determined. Keywords: pneumatic conveying, process visualization, flash photography, image analysis, parameterization of the transport process BIBLIOGRAFIA 1. Anweiler S., Szmolke N., Analiza obrazu w badaniach przepływu mieszanin gaz-ciało stałe. Inżynieria i Aparatura Chemiczna nr 11, 2004, 3-6. 2. Dziubiński M., Hydrodynamika przepływu mieszanin dwufazowych ciecz-gaz. WPŁ, Łódź 2005. 3. Ligus G., Ulbrich R., Badania pomp aeracyjnych nieinwazyjnymi metodami optycznymi. Pompy, Pompownie, nr 2(133), 2009, 38-39. 4. Masiukiewicz M., Ulbich R., Metody stereologiczne w identyfikacji struktur przepływu dwufazowego gaz-ciecz. Studia i Monografie, z. 199, Politechnika Opolska, Opole 2007. 5. Molerus O., Principles of Flow in Disperse Systems, Chapman and Hall, London 1993. 6. Orzechowski Z., Przepływy Dwufazowe Jednowymiarowe Ustalone Adiabatyczne, PWN, Warszawa 1990. 7. Piątkiewicz Z., Transport pneumatyczny. Monografia. WPŚ, Gliwice 1999. 8. Wojnar L., Kurzydłowski K. J., Szala J., Praktyka analizy obrazu. PTS, Kraków 2002. 2265