Testovací trať stanovení TZL

Testovací trať stanovení TZL, Jiří Horák

Testovací trať stanovení TZL Jiří Horák, [email protected], VŠB-TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum

1. Cíl projektu


Vybudovat testovací trať, která umožní v reálném vertikálním potrubí φ 315 mm nastavit referenční (porovnávací) hodnotu hmotnostního toku TZL se zaměřením na střední hmotnostní koncentraci TZL po průřezu v rozsahu 50 až 500 mg/m3N, rychlost 5 až 20 m/s.




Ověřování zařízení pro stanovení tuhých příměsí v potrubí (střední hmotnostní koncentrace TZL po průřezu, střední hmotnostní tok TZL v čase).

2. Popis zařízení Příprava koncentrované aerodisperzní směsi je zajištěna dávkovačem, který sype prach (TZL) do homogenizátoru, ze kterého je směs vzduchu a prachu dopravována k ejektoru. Ejektor nasává dávkovaný prach se vzduchem a v difuzoru dochází k smíchání této směsi se vzduchem trysky ejektoru. Následně je tato směs potrubím φ20 mm dopravována přes kónický směšovací kus (perforovaný plech) na vstup do odběrového úseku testovací tratě, který je tvořen vertikálním potrubím φ 315 mm o délce cca 7 m. Na vertikálním odběrovém úseku budou dvě stanoviště umožňující realizaci reprezentativního odběru vzorku plynu pro stanovení střední koncentrace TZL. Dále je vzdušina vedena do filtračního zařízení, kde dojde k záchytu podstatné části nadávkovaného prachu. Filtrační zařízení je následně spojeno s ventilátorem, který představuje zdroj sání pro měřící trať. Výstup ventilátoru je vyveden mimo prostor zkušebny. 2.1

Dávkování prachu Cíl:

dopravovat požadované hmotnostní toky prachu do homogenizátoru.

Z pohledu základní filozofie měření - stanovení střední hmotnostní koncentrace TZL není požadavek na rovnoměrnost dávkování prachu striktní, ale samozřejmě, že rovnoměrnost je žádoucí. Bude použit podavač vibrační korýtkový. Mezní hodnoty dávkovaného množství prachu jsou stanoveny pro plánované mezní hodnoty středních hmotnostních koncentrací TZL (50 ÷ 500 mg/m3N) a středních rychlostí (5 ÷ 20 m/s) cca 45 ÷ 2400 g/h. Byli osloveni dva dodavatelé: o zastoupení firmy FRITSCH pro ČR: ILABO spol. s.r.o., Boršovská 2591, 687 01 Kyjov, tel./fax. 518 620 471, www.ilabo.cz, Vibrační podavač laborette 24, Podávací žlábek ve tvaru V a U, (dražší, ale ověřený na ČVUT – tvar „U“) o firma ROX spol. s r.o., Zdabořská 192, 261 01 Příbram V, Tel./fax: +420 318 627 650, www.rox.cz Ze žlábku ve tvaru „V“ bude prach sypán do trychtýře homogenizátoru. Systém bude otevřený tak, aby bylo možné na začátku měření kontrolovat zaplnění žlábku a zahájit dávkování prachu do homogenizátoru až po zaplnění žlábku a dle potřeby zahájení měření na testovací trati. Dávkovaný prach bude zachycován např. do Petriho misky a až v případě potřeby bude miska odstraněna a umožněna příprava koncentrované aerodisperzní směsi. 1/7

Testovací trať stanovení TZL, Jiří Horák

obr. č. 1 Schéma testovací trati stanovení TZL

2/7

Testovací trať stanovení TZL, Jiří Horák 2.1.1

Dávkovaný prach

Bude použit popílek zachycený v elektrostatickém odlučovači za kotlem spalujícím černé uhlí (cca > 63µm = 9 %, > 5µm = 90%). Z pohledu minimalizace obsahu spalitelné složky (uhlík – nedopal) bude výhodnější použít popílek zachycený za kotlem s výtavným ohništěm. Maximální dávkované množství bude cca 2,5 kg/h, takže prvotní množství cca 100 kg se jeví jako dostatečné. Použití i alternativních prachů (např. vápenec, křemenný prach) se bude odvíjet od potřeby zákazníků a možnosti dávkování těchto částic (dávkování částic <5 µm je velmi problematické). 2.2

Homogenizátor prachu a ejektor Cíl:

příprava a doprava homogenní koncentrované aerodisperzní směsi.

Vibrační korýtkový dávkovač sype prach do vstupního trychtýře homogenizátoru, ze kterého je směs vzduchu a prachu nasávána k ejektoru. Ejektor nasává dávkovaný prach se vzduchem (cca 8 m3/h – upřesní návrh) a v difuzoru dochází k smíchání této směsi se vzduchem trysky (cca φ 2 mm) ejektoru (cca 10 m3/h – upřesní návrh). 2.3

Doprava aerodisperzní směsi do měřící tratě

Cíl: doprava aerodisperzní směsi do měřící tratě, míchání s ředícím vzduchem, příprava rovnoměrného koncentračního profilu TZL v odběrovém úseku testovací tratě (vertikální část). Aerodisperzní směs je od difuzoru pneumaticky dopravována k místu vstupu do odběrového úseku měřící tratě potrubím φ20 mm. Jedná se o pneumatickou dopravu a tedy mezní dolní hranice rychlosti je cca 16 m/s s ohledem na zamezení usazování částic v potrubí. Potrubí bude vyrobeno z jednoho kusu s táhlými oblouky R=100 (5D). Z pohledu minimalizace délky potrubí φ 20 mm budou dávkovací zařízení, homogenizátor a ejektor umístěny na ochozu zkušebny (3,8m), takže celková délka tohoto potrubí bude cca 5 m. Koncentrovaná aerodisperzní směs je dopravována potrubím φ 20 mm do odběrového úseku měřící tratě, který je tvořen vertikálním potrubím φ 315 mm. Obě potrubí budou upevněna v jedné ose, vertikální potrubí φ 315 mm bude zafixováno na nosnou konstrukci bez možnosti pohybu. Potrubí φ 20 mm bude zafixováno v systému umožňujícím dodatečné posunutí v horizontální ose x a y tak, aby bylo možné jemně nastavit souosost a tím zrovnoměrnit koncentrační pole TZL. Směs je vstřikována přes kónický směšovací kus vyrobený z perforovaného plechu o světlosti cca 40 %. Vrcholový úhel kužele bude 25°. Počáteční část kužele bude možné zakrýt tak, aby koncentrovaný prach z trubky nepronikal pláštěm kužele do prostoru zkušebny a byl strháván okolním přisávaným vzduchem do odběrového úseku. Délka kužele je dána vrcholovým úhlem a průměry jednotlivých potrubí (cca 665 mm). Délka rovného úseku potrubí φ20 mm před kuželem je 15D L=300). 2.4

Odběrový úsek testovací tratě

Cíl: Zajistit odběr reprezentativního vzorku pro stanovení střední koncentrace TZL na dvou stanovištích v jednom časovém úseku. Odběrový úsek testovací tratě je tvořen vertikálním potrubím φ 315 mm (normalizovaný vnější průměr, potrubí pro vzduchotechniku třídy 2, standardní příruby) a délce cca 7 m. V tomto úseku jsou 2 stanoviště pro odběr vzorku pro gravimetrické stanovení střední

3/7

Testovací trať stanovení TZL, Jiří Horák koncentrace TZL. Mezi oběma stanovišti se nachází měřící profil pro stanovení rychlosti (2 přímky). 2.4.1

Měřící profily pro odběr TZL

Na vertikální měřící trati budou dvě stanoviště umožňující odsávání reprezentativního vzorku plynu. Stanoviště jsou navržena tak, aby se minimalizovalo jejich vzájemné ovlivňování (dlouhé uklidňovací délky). Výše umístěné stanoviště (měřící profil č.1) bude nad úrovní ochozu, který je v hale zkušebny umístěn ve výšce 3,8 metru tak, aby byla zajištěna dobrá obslužnost vstupních otvorů. Spodní stanoviště (měřící profil č.2) bude umístěno v dolní části trati a bude obsluhováno ze země. Oba měřicí profily budou osazeny dvěmi vstupními otvory v ose obou vzorkovacích (měřicích) přímek. Budou použity standardní hranaté příruby 200 x 100 mm. Záslepky přírub budou vyhotoveny tak, aby se minimalizoval vliv vstupního otvoru na deformaci rychlostního profilu (prostor pod přírubou bude vyplněn a na konci této výplně bude část válcové plochy). Násobky uklidňujících rovných úseků potrubí před a za jednotlivými měřícími profily jsou zobrazeny na obr. č. 1. 2.4.2

Stanovení množství proudící vzdušiny

Celkové množství proudící vzdušiny bude stanoveno na základě měření dynamického tlaku na Prandtlově rychlostní sondě v ose potrubí. Před vlastními testy stanovení střední koncentrace TZL budou rychlostní profily detailně proměřeny v obou přímkách (kalibrace trati) a bude stanovena střední rychlost v měřícím profilu v celém rychlostním rozsahu (5 ÷ 20 m/s). Stanovená závislost poměru rychlosti v ose potrubí ke střední rychlosti v profilu při různých rychlostech bude použita pro výpočet střední rychlosti při reálném měření. Teplota proudící vzdušiny bude měřena odporovým teploměrem (Pt100), který bude umístěn za druhým měřícím profilem pro odběr TZL (před dolním obloukem). Střední rychlost bude řídící veličina pro regulaci množství proudící vzdušiny. Na základě zadané požadované hodnoty střední rychlosti bude regulace řídit výkon ventilátoru pomocí frekvenčního měniče. Veličiny budou měřeny v sekundových intervalech a budou ukládány minutové průměry. 2.5

Konstrukce

Vertikální potrubí φ 315 mm bude zafixováno na vlastní nosnou konstrukci, která bude upevněna na stávající konstrukci budovy (I profily pod ochozem). Konstrukce bude mít podobu žebříku, který umožní obsluhu měřící trati mimo dosah stanoviště. V úrovni I profilů (cca 400 mm pod ochozem) bude postavena manipulační plošina pro vrchní stanoviště č.1, která umožní obsluhu vzorkovacích otvorů. Veškeré díly budou uzemněny, aby se minimalizovaly problémy s elektrostatickou elektřinou. Střecha zkušebny Výzkumného energetického centra má tvar oblouku. Nejnižší pracovní výška na kraji je cca 8 m. Uprostřed zkušebny, kde je také ochoz, je pracovní výška cca 8,6 m.

4/7

Testovací trať stanovení TZL, Jiří Horák 2.6

Filtrační zařízení Cíl:

minimalizovat emitované množství prachu, možnost dalšího použití prachu.

Z vertikálního odběrového úseku testovací tratě bude vzdušina s nadávkovaným prachem vedena pod úrovní podlahy (v prostorách tepelného kanálu) k filtračnímu zařízení, které bude použito pro separaci nadávkovaného prachu. Max. filtrační Základní požadované parametry filtračního zařízení jsou shrnuty v tab. č. 1. Průměr potrubí

na vstupu na výstupu

Proudící médium Maximální množství proudící vzdušiny

315 315 vzduch s prachem 5 500

Minimální množství proudící vzdušiny 500 Maximální filtrační rychlost 2 Teplota proudící vzdušiny na vstupu do filtru 10 až 40 Relativní tlak na vstupu do filtračního zařízení -10 až -500 Relativní vlhkost proudící vzdušiny (vzduch bude 20 až 90 nasáván z prostoru laboratoře) Prach - popílek z 2. sekce EO za uhelným kotlem (<0,1mm) Množství prachu 50 až 2 500 Regenerační médium vzduch Požadavek na množství a kvalitu regeneračního média ? Potřebný tlak regeneračního média ? Maximální tlaková ztráta filtračního zařízení 2 000 Rozměry filtr. zařízení ? Účinnost filtrace ? Cena ? Hmotnost do 1000 Termín dodání ?

mm mm m3N/h m3N/h cm/s °C Pa % g/h m3N/h kPa Pa mxmxm % Kč kg

tab. č. 1 Základní požadované parametry filtračního zařízení Z pohledu minimalizace vlivu regenerace filtru na nestabilitu množství odsávaného vzduchu bude filtrační zařízení po dobu zkoušek provozováno bez regenerace, která se uskuteční až po ukončení zkoušek. 2.7

Zdroj sání a regulace průtoku Cíl:

zajistit požadovaný průtok v odběrovém úseku testovací tratě.

Za filtračním zařízením bude umístěn ventilátor NEDERMAN NCF 80/20 ovládaný frekvenčním měničem. Ventilátor bude umístěn v akusticky izolovaném obalu. Řídící veličina pro frekvenční měnič bude rychlost v potrubí 5 až 20 m/s (dynamický tlak na rychlostní sondě). Objemový průtok vzdušiny se bude pohybovat v rozsahu cca 500 až 5 000 m3N (při 0°C a tlaku 101 325 Pa).

3. Metodika stanovení střední referenční (porovnávací) hodnoty hmotnostní koncentrace TZL Referenční (porovnávací) hodnota koncentrace TZL [mg/m3N] bude představovat hodnotu střední koncentrace prachu v potrubí za čas odběru prachu testovanými aparaturami. Referenční hodnota koncentrace TZL je stanovena bilančně dle následného výpočtu:

5/7

Testovací trať stanovení TZL, Jiří Horák A= kde A je M t

1000 ⋅ M t . ⋅V 60 referenční (porovnávací) hodnota koncentrace TZL v [mg/m3N], hmotnost nadávkovaného prachu do testovací trati za dobu odběru ověřovaných aparatur v [g], celkový čas dávkování zváženého množství prachu v [min],

.

V

střední objemový průtok vzdušiny za čas dávkování zváženého množství prachu v [m3N/h] (0°C a 101 325 Pa).

Hodnota M bude stanovena takto:




navážka prachu M1 v [g] (cca 1,2 násobek předpokládaného dávkovaného množství pro jeden test – jeden odběr testovaných aparatur),




naplnění násypky prázdného dávkovače,




zapnutí podávání,




čekání na zaplnění korýtka podavače a na připravenost obsluhy testovaných aparatur a testovací trati. V této fázi je prach sypán z korýtka podavače do odměrky a následně vracen do násypky dávkovače,




tímto je systém připraven pro dávkování,




zahájení testování – prach je sypán do homogenizátoru,




odběry TZL v měřícím profilu č. 1 a 2,




ukončení odběrů,




přerušení dopravy prachu do homogenizátoru,




vyprázdnění podavače, zvážení zbylého prachu v podavači M2 v [g],




M = M1 – M2 v [g],




stanovení průtoku vzduchu v měřícím úseku – viz odstavec č. 2.4.2.

4. Další postup Po realizaci tratě, která je plánována v první polovině 2008, budou provedeny tyto další kroky pro ověření její funkčnosti:




ověření stability průtoku (regulace, regenerace filtru, zanášení filtru),




ověření rovnoměrnosti rychlostního pole,




ověření rovnoměrnosti koncentračního pole,




rozhodnutí o počtu odběrových bodů v měřícím profilu,




stanovení minimální doby testů z pohledu přesnosti stanovení hmotnostního toku dávkovaného prachu,




ověření vlivu usazování prachu v potrubí,




bilance nejistot,




metodický postup testu (odpovědět na otázky jak, kdo, co, při jaké koncentraci, při jaké rychlosti, délka odběru, počet přímek a bodů, délka testování jedné aparatury?)

6/7

Testovací trať stanovení TZL, Jiří Horák

4.1

Poznámky •

•

Ověření schopnosti stanovit teplotu. Protože teplota odsávaného vzorku bude cca shodná s teplotou okolí, nebude dle testování ověřena schopnost testovaných zařízení měřit teplotu na vyšších úrovních (např. do 300°C). Tuto schopnost bude možno ověřit pomocí kalibrační pícky, která je navázána na příslušné etalony. Obsah vody v proudící vzdušině bude považován za nulový. Jeho vliv bude větší v letním období, ale protože je max. cca 0,1%, bude zanedbán.

5. Závěr Na zkušebně Výzkumného energetického centra bude postavena testovací trať stanovení TZL, která umožní provádět porovnávací měření stanovení TZL. Její základní klady a zápory jsou definovány takto:

5.1

Klady •

•

5.2

Referenční (porovnávací) hodnota střední koncentrace TZL bude stanovena jinou metodou, než používají ověřovaná zařízení pro stanovení TZL. Podstatou stanovení je vážení celkového nadávkovaného množství TZL a stanovení objemového toku vzdušiny. Tyto skutečnosti dávají předpoklad, že hodnota referenční střední koncentrace by mohla být stanovena s přesností cca do 3% (první odhad a tato hodnota bude předmětem validačních testů), možnost dalšího využití např. o pro výrobce filtrů a filtračních materiálů (např. frakční odlučivost), o protože je možné ovlivnit granulometrii dávkovaného prachu může se další směr využití tratě zaobírat PM10 a PM2.5 (u PM2.5 je nutné vyřešit problém s dávkováním).

Zápory • • • •

Bude odsáván „suchý“ a „studený“ vzorek. Nebude ověřena schopnost stanovení obsahu vody ve vzorku, nízké koncentrace - při požadavku nízké referenční hodnoty střední koncentrace TZL (<50 mg/m3N) se bude značně prodlužovat požadavek na délku testu z pohledu požadavku na minimální navážku dávkovaného množství prachu, nestabilita teploty – bude ověřeno jak v zimních obdobích bude klesat teplota vzduchu v prostorách zkušebny vzhledem k odsávanému množství vzduchu, velikost částic reálných TZL je ve většině případů menší než bude na testovací trati.

6. Poděkování Děkuji tímto panu docentu Jiřímu Hemerkovi a panu ing. Luďkovi Marešovi z Ústavu techniky prostředí (fakulta strojní) z ČVUT Praha (http://utp.fs.cvut.cz/) za jejich vstřícnost a přínos k tomuto projektu. V rámci naší spolupráce se měrou nemalou podíleli na jeho přípravě a musím konstatovat, že mi bylo potěšením v jejich společnosti diskutovat jednotlivé detaily řešení.

7/7