Tudásunk egy csepp. Amit nem tudunk, az egy egész Óceán

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK

URBÁN ANDRÁS TDK DOLGOZAT

„Tudásunk egy csepp. Amit nem tudunk, az egy egész Óceán.” Isaac Newton

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK ENERGETIKA 1. SZEKCIÓ

URBÁN ANDRÁS (GÉPÉSZMÉRNÖK MSC I. ÉVFOLYAM)

TDK DOLGOZAT

Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével

Konzulens:

Józsa Viktor

Budapest, 2015

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretnék köszönetet mondani mindenekelőtt Józsa Viktornak, akinek szakmai és emberi támogatását immár második éve élvezhetem. Külön köszönet illeti az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszéket, ahol a szakmai tudásom bővítésére jelentős mennyiségű lehetőség áll rendelkezésre. Továbbá, a bizalom megszavazásáért, melynek függvényében esélyem nyílt egy három hetes intenzív kutatómunkában részt venni, ahol előtanulmányaimra alapozva a levegő segédközeges porlasztási folyamat jellemzői kerültek mérés és kiértékelés alá. Végül, de nem utolsó sorban pedig szeretnék köszönetet mondani a Brnoi Műszaki Egyetem doktorandusz hallgatójának Matouš Zarembanak, és mesterképzésén tanuló hallgatójának Milan Malýnak, akik készséggel álltak rendelkezésemre a mérés kivitelezésében.

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés, a téma aktualitása ............................................................................................. 1 2. A mérés előkészületei ......................................................................................................... 4 2.1. A porlasztás elméleti áttekintése ................................................................................................ 7 2.2. A levegő segédközeges porlasztó bemutatása .......................................................................... 10 2.3. Félempirikus matematikai modell az SMD meghatározásához ................................................. 12 2.4. Alkalmazott tüzelőanyag bemutatása ....................................................................................... 13 2.5. A kialakított mérőkör bemutatása ............................................................................................. 16 2.6. A Fázis Doppler Anemométer (PDA) bemutatása ...................................................................... 18

3. A mérési eredmények kiértékelése ................................................................................. 20 3.1. Axiális sebességeloszlások értékelése ....................................................................................... 21 3.2. Sauter középátmérő (SMD) eloszlásának értékelése ................................................................. 26 3.3. A mérés validációja.................................................................................................................... 31 3.4. Az integrált Sauter középátmérő ............................................................................................... 35

4. Numerikus szimuláció ...................................................................................................... 38 4.1. Alkalmazott geometriai modell bemutatása ............................................................................. 38 4.2. Hálófüggetlenségi vizsgálat ....................................................................................................... 39 4.3. A peremfeltételek és szimulációs beállítások ............................................................................ 44 4.4. Szimulációs eredmények bemutatása, kritikai értékelése ......................................................... 46

5. Az eredmények összefoglalása, értékelése .................................................................... 56 6. Irodalomjegyzék ................................................................................................................ 57 7. Ábrajegyzék ........................................................................................................................ 58 8. Táblázatok jegyzéke .......................................................................................................... 59

Levegő segédközeges porlasztó vizsgálata Fázis Doppler Anemométer segítségével Tudományos Diákköri Konferencia

2015

1. Bevezetés, a téma aktualitása A Föld lakosságának energia iránti igénye folyamatosan növekszik. Ezt az is alátámasztja, hogy az utóbbi évszázadban a világ energiafogyasztása 17-szeresére növekedett [1]. Ennek köszönhetően a CO2, CO, SO2 és NOx kibocsátások mértéke fokozódott,

mivel

a

globálisan

felhasznált

energia

közel

90%-a

tüzelési

folyamatokból ered, aminek jelentős része fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származik [2]. Az előrejelzések alapján a kőolaj tartalékok várhatóan kevesebb, mint 50 év múlva kimerülnek a jelenlegi fogyasztási arányok mellett [3]. A hazai villamos energiatermelés közel 60%-a szén, földgáz és kőolajtermékek eltüzelésén alapszik így belátható, hogy a tüzelési folyamatok optimalizálása nélkülözhetetlen az egyre szigorodó károsanyag-kibocsátási rendeletek mellett. A gyakorlatban különféle tüzelési technológiákkal találkozhatunk, ahol más és más feltételeknek kell eleget tenni [2]. A számunkra releváns, vizsgálat alá kerülő – a tüzelési folyamatot magába foglaló – egységek a gázturbinák, amelyek a hazai és nemzetközi nézőpontok szerint is jelentős szerepet képviselnek az energiatermelésben és a repülésben. Ennek fő okai a stacionárius üzem, nagy egységteljesítmény és relatíve magas hatásfok. A gázturbinás egységek üzemeltetését főként földgázzal valósítják meg, de az égőtér kialakítása lehetővé teszi a folyadék halmazállapotú tüzelőanyagok alkalmazását is, amellyel elsősorban az ellátásbiztonság nő. Ahhoz, hogy az ilyen jellegű

tüzelőanyagfajták

megfelelő

módon

kerüljenek

felhasználásra

a

tüzelőberendezésben optimális porlasztási viszonyokra van szükség, mivel ez a folyamat nagymértékben kihat az égés karakterisztikájára és tüzelés során keletkező szennyező anyagok mennyiségére [4]. A károsanyag-kibocsátás csökkentésének egyik megvalósítható módja az égés hatásfokának növelése. A korszerű gázturbinákban ennek hatásfoka, földgáz tüzelése esetén

szinte

tökéletesnek

mondható,

viszont

a

folyékony

tüzelőanyagok

alkalmazása esetén további vizsgálatok és javítások válnak szükségessé, főként a már korábban is említett károsanyag-kibocsátási előírások miatt [4]. A folyékony halmazállapotú tüzelőanyagok porlasztásánál a kialakuló cseppek felületét célszerű növelni, hogy a lángfrontot a lehető legjobban kondicionált tüzelőanyagpára-levegő keverék érje el. A felület növelésének módját és megvalósításához szükséges berendezést először magyar mérnököknek sikerült megvalósítani. Bánki Donát és munkatársa, Csonka János alkották meg a karburátort, amivel megteremtették az utat a belsőégésű motorok mobil alkalmazásának lehetőségei felé. 1


2015

A felület növelésével tehát párhuzamosan biztosíthatóvá válik a magas égési hatásfok folyékony tüzelőanyagok alkalmazása esetén is. Ebből kifolyólag érdemes széleskörű vizsgálatokat végezni a porlasztási folyamatokra vonatkozóan, annak érdekében, hogy meghatározhatóvá váljanak az optimális porlasztási körülmények, amivel minimalizálni tudjuk a tüzelésből származó károsanyag-kibocsátást. Napjainkban porlasztás céljára sokféle, különböző működési elvű porlasztó áll rendelkezésünkre. Összességében 8 fő porlasztó típust ismer az irodalom, ezek közül említésre méltóak a nyomásos porlasztók, a duplex kialakítású nyomásos porlasztók, a segédközeges porlasztók és a szakaszosan működő porlasztók [1]. Ezek közül az elemzéseinket

a

levegő

segédközeges

porlasztó

vizsgálatára

építettük.

A

nyomásporlasztókhoz képest szélesebb üzemeltetési tartománnyal rendelkeznek, ami mellett további előnyként realizálódik a jobb alkalmazkodóképességük és biztonságosabb működésük, melyek összessége miatt széles körben alkalmazzák [4]. A porlasztási folyamathoz szükséges sebességkülönbséget a folyadék és a gáz fázisok közötti, nagynyomású levegő konfúzorban történő gyorsításával érik el, amely nagy sebességgel halad a betáplált tüzelőanyag felett. Az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék (EGR) laboratóriumában található Capstone C-30-as mikro-gázturbina porlasztója is levegő segédközeges porlasztási elven működik, ahol a levegő és tüzelőanyag bevezetése két koncentrikus csővezetékben valósul meg. A folyamatot főként a relatív sebesség és az anyagjellemzők befolyásolják, így a levegő segédközegként való alkalmazása csak egy célszerű megoldás, mivel lehetőség van más közegekkel is porlasztani [4]. Az ezzel kapcsolatos vizsgálatok már számos irodalomban publikálásra kerültek, ahol főként a szeszipari folyamatok melléktermékeként keletkező vizes alkoholok alkalmazásának vizsgálata került az elemzések középpontjába [5]. A

porlasztott

tüzelőanyag

jellemzésére

megbízhatóan

csak

félempirikus

összefüggések állnak rendelkezésre, mivel a folyadékcseppek keletkezésének matematikai leírására nem létezik jelenleg megoldás. A cseppek jellemző mérete a mikrométeres

tartományba

esik,

így

ezek

mérése

nehezen

kivitelezhető

hagyományos technológiákkal. A mérési folyamatot – a kialakuló cseppköd kellően ritkás mivolta miatt – az optikai berendezések nem zavarják meg, így egy lézeroptikai elven működő mérőberendezés alkalmazása célszerű megoldásnak tűnik a

cseppköd

karakterisztikájának

feltérképezésére.

Ennek

érdekében

került

alkalmazásra a levegő segédközeges porlasztó vizsgálatára a Fázis Doppler Anemométer (PDA), amely a létrehozott interferencia csíkrendszeren áthaladó cseppekről szóródó fényt egy fotodetektor segítségével méri. 2


2015

A méréseket a hazai viszonylatban nem elérhető mérési környezet miatt a Brnoi Műszaki Egyetemen végeztük el. A

vizsgálatok során szabványos

diesel

tüzelőanyagot alkalmaztunk (EN 590). Alapvető mérési céljaink közé tartozott, hogy a permet síkbeli eloszlását a kilépésre merőlegesen több távolságban is vizsgálni tudjuk. Ezzel kapcsolatosan a kiértékelések fő irányvonalát az axiális és radiális sebességeloszlások,

illetve

a

mérés

hitelességét

alátámasztó

validációs

eredményvizsgálat adta. További cél volt a porlasztás területén széles körben használatos Sauter középátmérő (SMD) mérése, amely egy olyan jellemző méret, amely a vizsgált térrészben lévő cseppek átlagos térfogat és felület viszonyával egyezik meg [2]. Ennek analitikus úton történő kiszámítására, ahogy az már korábban is említésre került számos félempirikus összefüggés áll rendelkezésre, amely közelítő becslések esetén megfelelőnek bizonyulhat, viszont a cseppek pontos méretének meghatározására a PDA mérőműszer nyújtja a jelenleg elérhető legjobb megoldást. Manapság egyre gyakrabban használatos a cseppek méretének jellemzésére az integrált Sauter középátmérő, amely a mért SMD értékekből származtatható [6]. A kiértékelt mérésekhez szükségesnek találtuk a Fluent szoftverkörnyezetben való szimulációk elvégzését is, amelyek kivitelezésével összehasonlíthatóvá váltak a mérési és szimulációs eredmények. Ezáltal, azonos peremfeltételek mellett kritikailag értékelésre kerülhetett a numerikus szimuláció hatékonysága.

3


2015

2. A mérés előkészületei Első megközelítésből két hasonló kialakítású és működési elven üzemelő – levegő segédközeges – porlasztó vizsgálatát tűztük ki célul, az összehasonlítás és megfelelő szintű validáció érdekében. A mérés előkészítésének érdekében előzetes mérések kerültek elvégzésre. A porlasztónyomás és az ezzel összefüggésben lévő levegő tömegárama

közötti

determinált

kapcsolatot

kalibrációs

görbe

segítségével

definiáltuk. Az ehhez kapcsolódó eredményeket a 1. ábra tartalmazza, amely kiegészítésre került a Brno-ban elkészített kalibrációs görbével. Az összehasonlítás alapján megállapítható, hogy a két tényező közötti kapcsolatból eredő karakterisztika hasonlóságot mutat, viszont nem tapasztalható egyértelmű egyezés. Ennek fő okai közé tartozik a mérőkör kialakítása, a különböző méretű és hosszúságú csővezeték szakaszok összessége és a különböző mérőberendezéssel kivitelezett mérések. A kalibrációs görbékhez tartozó hibasávok mértéke a budapesti, rotaméteres mérés esetében 2,5 %, míg a brnoi mérés esetében csupán 1 %. Budapest mérési eredményei (Hiba: 2,5%)

Brno mérési eredményei (Hiba: 1%)

8

Levegő tömegárama [kg/s]

7 6 5 4 3

2 1 0 0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3

3,3

Porlasztóközeg nyomása [bar] 1. ábra: Kalibrációs görbék összehasonlítása a két mérési esetben

A

mérés

előkészületeihez

tartozott

a

mérőkör

kialakítása,

az

egyes

mérőberendezések kalibrációja, az égő mérőtérbe való elhelyezése és ennek optimalizálása

a

mérés

sikerességének

érdekében.

Továbbá,

a

kialakítás

megvalósítása után szükséges volt a rendszerek összehangolása és próbamérések 4


2015

végzése, amit kerozinnal végeztünk. Az előtesztek sorozatát az égő keverőcsatornás kivitele mellett végeztük el, amely mindkét égő esetén problémás viselkedést produkált. A keverőcsatornával rendelkező (B) égő kialakítása a 2.2. fejezetben, a 6. ábrán látható. A jelentkező probléma fő forrását a keverőcsatorna kilépő nyílásának peremén megjelenő folyadékcseppek okozták. Ennek fő okát a hidegteszt alatt jelen lévő körülmények generálták, mivel az áramlási térben megjelenő cseppek idő előtt csapódtak a keverőcsatorna belső hideg falának, majd a keverőcsatorna kilépő peremén nagy cseppeket alkotva kismértékű örvényhatás mellett hagyták el azt. Így, a hidegteszt okozta korlátozó tényezők miatt, a várakozásokkal ellentétben egy égő teljes körű vizsgálata került a középpontba.

2. ábra: Az alkalmazott égő sematikus rajza keverőcsatorna jelenlétében [7], [8]

A probléma megoldására először – a keverőcsatorna elején kialakított furatokon keresztül áramló – primer levegő bevezetésének alkalmazását vizsgáltuk, azonban nem állt módunkban olyan minőségű áramlási teret kialakítani, amely mellett csökkenteni tudtuk volna a keverőcsatorna kilépő peremén megjelenő cseppek mennyiségét. Az alkalmazott égő egyes bemeneti nyílásainak bemutatása a 2. ábrán látható. Ez problémát okozott a Fázis Doppler Anemométer működésének is, mivel a rendezetlen áramlás mellett a keletkező extra méretű cseppek miatt kialakuló inhomogenitás is jelentős mértékben lerontotta az előmérések hitelességét. Továbbá a kialakuló permet jelentős mértékben aszimmetrikus viselkedést produkált, amely a traverz mozgatórendszer beállítását nehezítette meg. Ezen hatások mellett olyan megállapításokat is tehettünk, hogy a csatorna kilépő pereméről folyamatos jelleggel csöpögő cseppek nem tartoztak a vizsgálni kívánt permethez, illetve ezeket a cseppeket az ütközés és örvényhatás miatt kialakuló deformáció miatt nem közelíthettük gömbszimmetrikus feltételezéssel, mivel a torz cseppek még szabad szemmel is láthatóak voltak. Ezáltal, a fentiekben összefoglaltak következményeként 5


2015

a hiteles mérések kivitelezése lehetetlenné vált. Ennek érdekében úgy döntöttünk, hogy a keverőcsatorna eltávolításra kerül a mérés sikerességének érdekében, így vizsgálhatóvá váltak a fúvóka után kialakuló porlasztási viszonyok. Az égő utómunkálatait esztergapadon kivitelezett vágással valósítottuk meg.

B

A

3. ábra: Koncentrikusságvizsgálat összehasonlítása az A és B jelű porlaszók esetében

A

keverőcsatorna

nélküli

kialakítás

mellett

végzet

mérések

sorozatából

megállapítható volt, hogy az eddig jelentkező problémák döntő többsége eltűnt. Ennek ellenére minimális jelleggel még mindig jellemző volt a permetre az aszimmetrikus viselkedés, amelyet a radiális sebességeloszlások is alátámasztottak. Azonban ezen nézőpont szerinti kiértékelések nem kerültek bemutatásra a dolgozatban, mivel ennél több lényegi információtartalmat nem hordoznak a mérési eredményekből származtatott karakterisztikák. Ebből kifolyólag tükörreflexes kamerával koncentrikusság vizsgálatot végeztük a két égőre, melynek eredményeit a 3. ábra tartalmazza. A koncentrikusság vizsgálat alapján megállapítható volt, hogy a B jelű égő kialakítása kedvezőtlenebb, mivel itt a tökéletesen koncentrikus kialakítás nem teljesül, így egyértelműen érthetővé vált a két vizsgálati esetben tapasztalt aszimmetrikus viselkedés. Ennek ellenére az A jelű égő esetében szemmel látható, hogy a kialakítás jelentős mértékben közelebb esik a koncentrikus megvalósításhoz, amelyet az előmérések során kapott eredmények is alátámasztottak. Így ennek függvényében, a levegő segédközeges porlasztó vizsgálatára irányuló elemzéseinket az A jelű égőre fókuszálva végeztük el.

6


2015

2.1. A porlasztás elméleti áttekintése A folyadék állapotú permet képződése a következő egymást követő három szakaszból tevődik össze [9]. 1) A folyadéksugár áramlási térbe kerülése: A fúvóka kilépő nyílásán, a beállított tüzelőanyag-áramnak megfelelő mennyiségű folyadéksugár távozik. 2) Primer porlasztási mechanizmus: A folyadéksugárból a porlasztóközeg darabokat szakít le, amelyek még relatíve nagynak tekinthetőek. 3) Szekunder porlasztási mechanizmus: A kialakuló darabokat a porlasztó szabadsugár még tovább tudja aprózni, melynek eredményeképp létrejönnek az egyedi cseppek. Az áramlási tér korai szakaszában már olyan folyadékszalagok realizálhatóak, melyek a folyadék felbomlásának kezdetét (primer porlasztási mechanizmus) jelképezik. A permetképződés köztes folyamata kiemelt szerepet kap, mivel megteremti a kapcsolatot a porlasztóból való kiáramlás és a permet végső formája között. A permetet általánosságban úgy definiáljuk, mint az egyedi folyadékcseppek és az azt körülvevő gázfázis közös áramlásából kialakuló tüzelőanyag-levegő keveréke. Minden egyes csepp saját átmérővel és sebességgel rendelkezik, melyek ütközhetnek és akár össze is olvadhatnak más cseppekkel. Így tehát a permet karakterisztikáját összességében a cseppek méret szerinti eloszlása, sebessége, sűrűsége, térbeli eloszlása és hőmérséklete jellemzi [9]. A folyékony tüzelőanyag és az azt körülvevő gáz fázis interakciójának eredményeként a folyadéksugár gyors aprózódása figyelhető meg. Ahogy a folyadék megjelenik a porlasztó kilépőnyílásánál, deformációk jelennek meg a folyadék határfelületén.

Ezek

térben

és

időben

folyamatosan

nőnek,

aminek

következményeként folyadékszalagok képződnek a fő áramlás mentén. Tehát, a kezdeti áramlásban kialakuló deformációk és azt ezt követő folyadékszalagok képződésének összessége definiálja a primer porlasztási mechanizmust. Az ezt követő szakaszban a képződött folyadékszalagok torzulhatnak és széteshetnek kisebb darabokra, egészen addig, amíg ezek az elemek stabil cseppekké nem alakulnak. Ezek kialakulásának alapvető feltétele, hogy a felületi feszültségből származó erők elég erősek legyenek ahhoz, hogy megtörjék a folyadékszalagok kohézióját, így ez a lépés írja le a szekunder porlasztási mechanizmust. Az egyes szakaszok mechanizmusai erősen függnek a folyadék és a porlasztóközeg impulzuserejétől, tehát ezzel analóg módon az alkalmazott porlasztónyomástól. Alacsonyabb kinetikus energia esetén a primer porlasztási mechanizmus során 7


2015

nagyobb folyadékszalagok keletkeznek, amely a szekunder mechanizmusra vonatkozóan nagyobb cseppek keletkezésével jár. Azonban nagyobb energia bevezetése esetén a szekunder porlasztási mechanizmus veszi át a dominánsabb szerepet, így kisebb cseppek érhetőek el magasabb porlasztónyomás alkalmazása mellett.

4. ábra: A tipikus felosztási szisztéma szerint alkalmazott stabilitási görbe [9]

A hengeres fúvókák által előállított folyadéksugarat a koncentrikus belső csatornán keresztül kényszerítve állítják elő. Számos megfigyelt aprózódási mechanizmus a folyadéksugár sebességének függvényében változásokat produkál. A hengeres szabadsugarak felbomlási mechanizmusának leggyakrabban alkalmazott kategorizálására érdemes ábrázolni a szabadsugár felbomlásának hosszát (LBU) az 8


2015

átlagosan kialakuló sebesség (UL) függvényében, amit általában a szabadsugár stabilitási görbéjének neveznek [9]. A tipikusan megvalósuló stabilitási görbe vázlatos formája a 4. ábrán látható. Egyes irodalmi források szerint a görbét öt bomlási szakaszra szokás bontani, amelyek a következőek [9]: 1) Csöpögő szakasz (A) 2) Rayleigh szakasz (B) 3) Elsődleges áramlásindukált szakasz (C) 4) Másodlagos áramlásindukált szakasz (D) 5) Porlasztási szakasz (E) A rendelkezésre álló irodalmi háttéranyagok alapján belátható, hogy a primer porlasztási mechanizmus vizsgálata nehézkés és nem egyértelmű. Az egyes irodalmi háttéranyagokban elvégzett PDA mérések eredményei szerint a kialakuló permet karakterisztikája hasonlóságot mutat az x/D=5 tartományon, ami azt mutatja, hogy a folyadék felszakadásának többsége a fúvókához közeli régióban valósul meg [10]. Ennek

részletesebb

detektálására

mikroszkopikus

nagysebességű

kamera

alkalmazása válik célszerűvé. A kamera mennyiségi információkat szolgáltathat a folyadék felszakadásának struktúrájáról, amivel vizsgálhatóvá válik a folyamatosan felszakadozó folyadéksugár fizikai tulajdonsága. Egy kiváló minőségű szemléltető példát szolgáltat számunkra az irodalom, ahol hosszú szénláncú biodesel porlasztási folyamata került vizsgálat alá két különböző folyadéksugár sebesség mellett. A kamera által szolgáltatott képek bemutatása az 5. ábrán látható, ahol az egyes képkockák balról jobbra haladva, a kamera által beállított időlépések sorozatában készített eredményeket prezentálja [10].

64 m/s

74 m/s

5. ábra: A kilépés közvetlen közelében detektált porlasztási momentumok [10]

9


2015

2.2. A levegő segédközeges porlasztó bemutatása A levegő segédközeges porlasztó típust a 60-as évek elején fejlesztették ki főként a nyomásporlasztók helyettesítésének érdekében [11]. Ennek egyik fő oka, hogy a nyomásporlasztókat keskenyebb üzemi tartomány jellemezte, mivel a minimális és maximális tömegáram egy örvénykamrás porlasztóban sokkal közelebb esik egymáshoz,

mint

a

segédközeges

porlasztók

esetében

[12].

Továbbá

a

nyomásporlasztók esetében a fúvóka közvetlen közelében túl nagy a tüzelőanyag koncentrációja, amely fokozott koromképződéshez vezethet [2]. Ezért, a levegő segédközeges porlasztók kiszorították a nyomásporlasztókat a gázturbinás egységek egyes alkalmazási területein. A levegő segédközeges porlasztók a terhelési állapotok széles skáláján alkalmazhatóak,

mivel

a

porlasztáshoz

szükséges

relatív

sebességet

a

kompresszorból érkező nagysebességű levegő biztosítja, míg emellett a tüzelőanyag sebessége továbbra is relatíve alacsony marad [4]. A terhelési állapot növekedésével a levegő sebessége alkalmazkodó viselkedést produkál. Továbbá, ezt a porlasztó típust széles körben, előszeretettel alkalmazzák a kohászatban – azon belül is főként a metallurgiában, ahol a fémek ércekből való kinyerésével foglalkoznak – fémpor termelésére, ipari tüzelőberendezésekben és bevonatok készítésére [11].

B 6. ábra: Capstone C-30 esetén alkalmazott levegő segédközeges porlasztó

A működési elvének értelmében a nagy sebességű levegő kinetikus energiája adódik át folyadéksugárnak, ami a tüzelőanyag cseppekre bomlásához vezet. Ezzel kapcsolatosan megállapítható, hogy minél nagyobb az átadott energia mennyisége – azaz minél nagyobb a levegő sebessége – annál finomabb permetet érhetünk el [12].

10


2015

A Capstone C-30-ban általánosan alkalmazott levegő segédközeges porlasztó valós képe a 6. ábrán látható, míg a 7. ábrán a mérés során alkalmazott porlasztó látható, amely működési elvét tekintve megegyezik a 6. ábrán láthatóval, azzal a kiegészítéssel, hogy ez a konstrukció indító égőként funkcionál.

A 7. ábra: A vizsgálatok során alkalmazott (A) porlasztó oldalnézete

A 6. ábrán látható égő esetében látható a korábban említett problémát okozó keverőcsatorna, amely végül nem került eltávolításra a koncentrikusság vizsgálatból fakadó eredmények miatt, mivel a B jelű égő további vizsgálatát elvetettük. Az alap konstrukciós kialakítás értelmében a keverőcsatornán elhelyezett furatok lehetőséget biztosítanak a szekunder levegő alkalmazására, azonban ez csak üzemi körülmények között jelent előnyt. A 7. és 8. ábrán látható égő már a keverőcsatorna eltávolítása utáni esetet prezentálja, amellyel lehetőségünk volt szabad áramlási körülmények között vizsgálni a porlasztási viszonyokat.

A 8. ábra: A vizsgálatok során alkalmazott (A) porlasztó előlnézete

11


2015

2.3. Félempirikus matematikai modell az SMD meghatározásához A következőekben az SMD analitikus úton történő meghatározásához szükséges félempirikus segédközeges

összefüggés

kerül

porlasztókra

paraméteranalízis legdominánsabb

bemutatásra,

lettek

végezhető, befolyásoló

amely

kifejlesztve

amely

kifejezetten

[12].

Az

segítségével

tényezők.

Ez

alapján

a

egyenlet

levegő alapján

meghatározhatóak megállapítható,

a

hogy

a

porlasztónyomás növekedése mellett az SMD értéke jelentős mértékű csökkenést produkál, aminek szemléltetése a 9. ábrán látható. A levegő segédközeges porlasztók működését azonban számos további paraméter is befolyásolja, így a befolyásoló tényezők változásából fakadó hatások vizsgálata célszerű, hogy átfogóbb képet kapjunk arról, hogy mely paraméterek befolyásolják jelentős mértékben az SMD értékét. 𝜎∗𝜌𝑓𝑢𝑒𝑙 ∗𝐷 0,5

𝑆𝑀𝐷 = 3,33 ∗ 10−3 ∗ [𝜌

𝑎𝑖𝑟

2 ∗𝑢

𝑎𝑖𝑟

2]

∗ [1 +

𝑚̇𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑚̇𝑎𝑖𝑟

𝑆𝑀𝐷 = 𝐴 ∗ [1 +

] + 13 ∗ 10−3 ∗ [

𝜇𝑓𝑢𝑒𝑙

𝜎∗𝜌𝑓𝑢𝑒𝑙

𝑚̇𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑚̇𝑎𝑖𝑟

] + 𝐵 ∗ [1 +

𝑚̇𝑓𝑢𝑒𝑙 2 𝑚̇𝑎𝑖𝑟

]

0,425

]

∗ 𝐷 0,575 ∗ [1 +

𝑚̇𝑓𝑢𝑒𝑙 2 𝑚̇𝑎𝑖𝑟

] (1)

(2)

A 9. ábrán az 1. egyenlethez – és ezzel ekvivalens 2. egyenlethez – jelentős mértékben hasonló összefüggés alapján származtatott SMD értékek láthatóak a porlasztónyomás függvényében, amely egy előzetes várakozásnak is megfelel a mérések kimenetelére vonatkozóan [12].

9. ábra: Az elméleti ismeretek alapján várható SMD változás a porlasztónyomás függvényében [13]

12


2015

A paraméteranalízisből kapott eredmények alapján öt megállapítás tehető a vizsgált

jellemzők

Sauter

középátmérőjére

(SMD)

vonatkozóan,

melyek

a

következőek [14]: 1. A felületi feszültség fokozatos csökkenésével jelentős mértékben csökkenthető a térfogati-felületi közepes cseppek átmérője. 2.

A folyadékfázisú tüzelőanyag sűrűségének csökkenése, az SMD érték kismértékű csökkenését eredményezi.

3. Az alkalmazott porlasztóközeg sűrűségének növekedése mellett nagymértékű SMD csökkenést figyelhetünk meg. 4. A tüzelőanyag tömegáramának növekedése a térfogati-felületi közepes cseppátmérők fokozatos növekedését vonja maga után. 5. A porlasztóközeg tömegáramának növelésével kiemelkedően nagy jelentőséggel bíró cseppméret csökkenést figyelhetünk meg a vizsgálati tartományunkon.

2.4. Alkalmazott tüzelőanyag bemutatása A vizsgálataink során alkalmazott tüzelőanyag típusa standard diesel (EN 590) volt. Ennek fő oka, hogy széles körben kerül alkalmazásra a hétköznapokban, illetve egyes ipari alkalmazások területén is. Az 1. táblázatban néhány, számunkra releváns tüzelőanyag fizikai tulajdonságai kerültek összegyűjtésre. Forrási tartomány [°C]

Sűrűség [g/cm ]

Viszkozitás [cSt]1

Standard diesel

145 – 370

0.82 – 0.86

1.9 – 4.1

Biodiesel

165 – 180

0.86 – 0.90

3.5 – 5.0

Jet (A-1)

120 – 290

0.775 – 0.840

1.5 – 5.0

Fischer Tropsch Diesel

124 – 374

0.768

1.981

Tüzelőanyag

3

1. táblázat: A releváns tüzelőanyagok fizikai tulajdonságainak összefoglalása [15]

A viszkozitás mérés egyik alkalmas módszere a Hagen-Poiseuille törvényen alapszik. A módszer alkalmazásához leggyakrabban Ostwald-féle viszkozimétert használunk. A folyadékfürdőben elhelyezett viszkoziméternél a vizsgált folyadékot a

A kinematikai viszkozitás egysége a Stokes, melyet George Gabriel Stokesról neveztek el, viszont a mérnöki gyakorlatban a centiStokes használata terjedt el, amely a Stokes századrészeként értelmezhető. 1

13


2015

készülék kapilláris szárú ágában levő gömbbe az „A” jel fölé szívjuk, majd mérjük azt az időt, amely alatt a folyadék szintje a kapillárison nyomáskülönbség hatására az „A” jeltől a gömb alatti „B” jelig süllyed. A mérés kivitelezéséhez felhasznált viszkoziméter sematikus rajza a 10. ábrán látható [16].

10. ábra: A viszkoziméter sematikus rajza

Az alkalmazott tüzelőanyag vizsgálatát tehát ennek függvényében az előbbiekben ismertetett mérési elven végeztük el, amelynek szemléltetése a 11. ábrán látható. A tüzelőanyag sűrűségének meghatározására Coriolis tömegáram mérő berendezést alkalmaztunk, amely valós időben mérte a tüzelőanyag sűrűségét.

11. ábra: Az alkalmazott tüzelőanyag viszkoziméterrel történő mérése

14


2015

Jellemző

Mért érték

Viszkozitás

3.5 mm2/s

Sűrűség

0.825 g/cm3

2. táblázat: Az alkalmazott tüzelőanyag fizikai paramétereire vonatkozó mérések eredményei

Az egyes folyékony tüzelőanyagok esetében több helyen is problémaként merült fel a viszkozitás

kérdése.

Sok esetben

a tüzelőanyag felhasználhatóságát

nagymértékben befolyásolja a viszkozitása, mely a folyadékokban a belső folyadékrétegek egymáshoz képest való elcsúszásánál fellépő – súrlódás jellegű – mozgást gátló ellenállás, így ennek fokozottan megnövekedett értéke problémákat okozhat. Ezért, számos megoldás született arra, hogy ennek nagyságát mérsékeljék. A 4 fő viszkozitást csökkentő eljárás az irodalom alapján [1], [14]. 1) Melegítés: A szilárd zsírok megolvadnak hő hatására, ezért célszerű előmelegítőt alkalmazni az üzemanyag rendszerben a porlasztó fúvókája előtt. 2) Hígítás/Keverés: Különböző viszkozitású anyagok összekeverése elősegíti a viszkozitás csökkenését. 3) Vízemulgeálás: Az az eljárás, amikor a víz és az olaj összekeverése a porlasztó fúvókája előtt megtörténik. A vízcseppeket makroszkopikus szinten olajfilm borítja. A víz légköri nyomáson és 100°C-on elpárolog, de figyelembe kell venni, hogy az égőtérben nagyobb nyomásértékek uralkodnak, ami maga után vonja, hogy magasabb hőmérsékletértéken fognak elpárologni az égőtérbe juttatott vízcseppek. Az elpárolgást követően a vízgőz térfogata három nagyságrenddel nagyobb, mint az olajfilmé, ezért ami eddig a vízcseppet borította finom olajcseppekre szakad. Ezzel mérsékelhetőek a párolgással és a viszkozitással kapcsolatosan felmerülő problémák. 4) Át-észterezés: Az a folyamat, ahol a zsírsavakat elválasztjuk a glicerintől az által, hogy kicseréljük a glicerint például metánra vagy etánra. Ezáltal létrehozva a FAME–t (Fatty Acid Metyl Ester), közismertebb nevén a biodieselt. Ennek a karakterisztikája nagymértékben hasonló az adalékolatlan dieselhez. A legnagyobb

különbség

általában

az,

hogy

kevesebb

kéntartalommal

rendelkezik. A folyamat egyik hátránya, hogy extra költségekkel jár, mert a kezeléséhez szükséges kémiai folyamathoz hőbevezetésre van szükség, de a hosszabb távú vizsgálatok azt mutatják, hogy mégis ez tűnik a legalkalmasabb előállítási módszernek a fosszilis eredetű dízelolaj kiváltására. 15


2015

2.5. A kialakított mérőkör bemutatása A mérés sikerességének érdekében gondosan kivitelezett mérőkör kialakítására volt szükségünk. Ennek érdekében feltérképeztük a várható mérési tartományainkat és alakítottuk ki a mérőkört, melynek sematikus rajza a 12. ábrán látható. Ezt célszerűen érdemes három részre osztani. Az első részét képzi a levegő oldali kialakítás, amely relatíve magas nyomású hálózati levegőrendszerről került üzemeltetésre. Ezen az ágon két tömegáram mérő is elhelyezésre került a mérés pontosságának és validációjának érdekében. Az ezt követő szakaszon nyomástávadó beépítését végeztük el, amely egy digitális kijelzővel ellátott konstrukció volt. Ez azért volt kedvező kialakítás számunkra, mert a porlasztóközeg nyomását manuálisan állítottuk be az aktuális mérési pontoknak megfelelően.

12. ábra: A kialakított mérőkör sematikus rajza

A nyomástávadó után nyomásszabályozó szelep került beépítésre a nyomás stabilizálásának érdekében. Továbbá a porlasztóhoz való csatlakozás előtt PT100-as termoelem került alkalmazásra a belépő levegő hőmérsékletének mérésére. A másik ágat a tüzelőanyag bevezetése képviselte, amelyet ugyancsak hálózati levegőrendszerrel üzemeltettünk. A tüzelőanyag átmeneti tárolására egy mérőórával ellátott tartály került alkalmazásra. Itt érdemes megemlíteni, hogy az ebben uralkodó nyomás értékét célszerű volt relatíve alacsony értéken tartani, mivel így a 16


2015

tüzelőanyag ágon következő tömegáram szabályozó működése kezelhetőbbé vált, így százados pontossággal beállíthatóvá vált a kívánt tüzelőanyag tömegárama. A tüzelőanyag tömegáramának megválasztását az égő maximális teljesítményének 40 %-ából származtattuk, mely a mérések során állandó értéket képviselt. A tömegáram szabályozó szelep után található a Coriolis tömegáram mérő, ahol digitális kijelző segítségével ellenőriztük a ténylegesen beállított tüzelőanyag tömegáramát. Továbbá, ez a berendezés lehetőséget biztosított számunkra a tüzelőanyag sűrűségének valós idejű mérésére is, így az adatfeldolgozó egységek segítségével rendkívül pontos értéket kaphattunk az átlagolások eredményeképp. A 3. táblázat tartalmazza a mérés során felhasznált releváns mérőeszközöket és segédberendezéseket. Megnevezés

Típus

Tulajdonság

Bizonytalanság

SPECTRA PHYSICS Stabilite Series Laser Beam Specifications

Stabilite 2017 Specifications

Current mode: 17,5 A

-

OMEGA gyártmányú levegő tömegáram mérő

FMA Series

FMA-A2117

±1%

Sierra gyártmányú levegő tömegáram mérő

Smart-Trak 2

Series 100

±0.5%

1. nyomástávadó

BD Sensor

2. nyomástávadó

BD Sensor

Tüzelőanyag tartály

Porral oltó tartály

20 l

-

Coriolis tüzelőanyag tömegáram mérő – Siemens

SITRANS F C MASS 2100

Tüzelőanyag sűrűségének mérése

-

Dantec Dynamic gyártmányú Fázis Doppler Anemométer

Fiber Flow

Cseppek méretének mérése

-

DELL Precision gyártmányú

T1600

0-35 bar; 4-20 mA 0-17 bar, 4-20 mA

-

±0.35% ±0.35%

-

kiértékelő számítógép Mozgatótraverz

X, Y, Z irányú pozícionálás

-

±5%

3. táblázat: A mérés során felhasznált mérő- és segédberendezések összefoglalása

17


2015

A harmadik ágat, amely a méréseink lényegi részét biztosította a lézeroptikai elven működő Fázis Doppler Anemométer és a segédberendezései alkották. Ennek részletesebb ismertetésére a 2.6 fejezetben kerül sor.

2.6. A Fázis Doppler Anemométer (PDA) bemutatása A

Fázis

Doppler

Anemométer

(PDA)

egy

lézeroptikai

elven

működő

mérőberendezés, amely egyedi gömbszimmetrikus részecskék méretének és sebességének folyamatos jellegű mérésére hivatott. Ezek a részecskék lehetnek cseppek, buborékok és akár szilárd részecskék is [17]. A berendezés lehetővé teszi az áramló részecskék részletes elemzését a lézersugarak által kialakított interferencia csíkrendszer segítségével. Megvalósítható az egyedi cseppekre jellemző méret és sebesség statisztikai eloszlásának mérése az áramlási térben. Továbbá, lehetőségünk van akár a részecskék koncentrációjának széleskörű elemzésére is [17]. A PDA egyfajta kiterjesztése a Lézer Doppler Anemométernek (LDA), azzal a kiegészítéssel, hogy a PDA képes a részecskék sebességén felül a méretüket is meghatározni.

13. ábra: Fényszórás általános jelensége gömbszimmetrikus felületen [17]

Alapjait a fényszórás jelensége adja, ami sugárkövetéssel láthatóvá tehető. A fénysugár, amely találkozik a folyadékcseppel, részben visszaverődik a felszínről, részben pedig továbbhalad és megtörik. A jelenség grafikus értelmezését a 13. ábra 18


2015

tartalmazza. A fényszórás intenzitása nem tekinthető egységesnek minden irányba és sok esetben függ a relatív törési indextől is, amely a (3) egyenletben kerül tárgyalásra. 𝑛𝑟𝑒𝑙 =

𝑛𝑟é𝑠𝑧𝑒𝑐𝑠𝑘𝑒 𝑛𝑘ö𝑧𝑒𝑔

(3)

Az általunk alkalmazott PDA mérőberendezés sematikus rajza a 14. ábrán látható.

14. ábra: A Fázis Doppler Anemométer általánosított, sematikus rajza

A mérések során a Fázis Doppler Anemométer (PDA) 20.000 minta összegyűjtésére volt korlátozva. Azonban a permet egyes profiljainak határánál ennyi minta összegyűjtésé sok időt vett volna igénybe, mivel a permet magjától koncentrikusan távolodva egyre kevesebb folyadékcsepp tapasztalható. Így, ennek értelmében időkorláthoz is kötöttük a kitűzött mintavételezést, amit 15 másodpercben határoztunk meg. Tehát, ha ennyi idő alatt nem gyűjtötte be a 20.000 mintát, akkor a traverz mozgatórendszer a következő mérési pontba került és a mérés folytatódott. Ennek értelmében az egyes mérési pontok és ezekből összeálló mérési profilok validációs rátája eltéréseket mutathat. Továbbá, a rendszer a kapott jelekből képes gömbszimmetrikusságot vizsgáló validációs mutatót is generálni, ami az elméleti ismeretekre alapozva főként a primer porlasztási szakaszban és a permet magjában mutathat alacsonyabb értékeket.

19


2015

3. A mérési eredmények kiértékelése A mérések során a fő céljaink közé tartozott, hogy legalább négy különböző axiális távolságban is méréseket tudjunk végezni a permet karakterisztikájának teljes körű feltérképezésének érdekében. Az alapkoncepció értelmében a vizsgálat alá kerülő négy profil távolságát úgy próbáltuk beállítani, hogy azok minél közelebb kerüljenek a porlasztóból való kilépéshez. Azonban a kilépéstől számított 10 mm-es távolságon belül nem tudunk méréseket kivitelezni a rendkívüli mértékben megnövekedett sebességviszonyok miatt, mivel elértük a rendszer által maximálisan mérhető sebesség határát, amely kb. 300 m/s [17]. Vélhetően az is gondot okozott a 10 mm-es határon belüli mérés során, hogy a primer porlasztási folyamat még nem fejeződött be. Ez azt eredményezte, hogy ebben a régióban túl sűrű volt a permet ahhoz, hogy a lézeroptikai elven működő mérőműszer valós eredményeket tudjon szolgáltatni, amit az is alátámaszt, hogy a validációs ráta, jelentős mértékben lecsökkent. Ennek függvényében a profilok axiális távolságának meghatározásánál szem előtt tartottuk a PDA mérőberendezésünk működési határait, így két mérési pontunk a kilépés közelében helyezkedik el, míg két mérési pontunk a fúvókától valamivel távolabbi pontban. A 3. profil axiális távolsága az égő átmérője. A vizsgálat alá kerülő profilok mérési paramétereit a 4. táblázat tartalmazza.

Profil

Axiális távolság [mm]

Mérési pontok száma [db]

Lépésköz [mm]

1.

10

13

1

2.

15

13

1

3.

26,7

13

2

4.

50

15

2

4. táblázat: A vizsgálat alá kerülő profilok mintavételezési pontjai

A porlasztónyomás mérési tartományának és az azon belüli mérési pontok meghatározásánál figyelembe vettük az égő általában alkalmazott üzemeltetési tartományát. Így, ennek függvényében a mérési pontok kiválasztásánál besűrítettük a mérési pontokat 0.3 és 1 bar között, míg az ennél nagyobb értékeknél elegendőnek éreztük

a

nagyobb

lépésköz

alkalmazását.

porlasztónyomásokat az 5. táblázat tartalmazza.

20

A

mérés

során

alkalmazott


2015

Tüzelőanyag tömegárama [kg/h]

Segédközeg nyomása [bar] 0.3 0.5 0.7 0.9

1.26

1.1 1.6 2.1 2.6 3.1

5. táblázat: Az elemzés alá kerülő porlasztónyomások

3.1. Axiális sebességeloszlások értékelése A kiértékeléseink egyik fő irányvonalának értelmében az egyes profilokban kialakuló axiális sebességek eloszlásának bemutatása két szemléltető példán keresztül történik. Mivel a kiértékelt négy profil közül a sebességek eloszlása hasonló trendeket mutatott, így elegendőnek tartottuk a két szélsőséges helyzet vizsgálatát. Ennek értelmében az egyik, axiális sebességeloszlás szempontjából vizsgálat alá kerülő profilt a fúvókához legközelebbi (Z=10 mm) eset szolgáltatta, melynek eredményeit a 15. ábra tartalmazza. A kialakult sebességek eloszlása prezentálja számunkra, hogy a permet magjában sebességcsúcsokat diagnosztizálhatunk minden egyes porlasztónyomás esetén, amely a fúvókától távolabbi profilok esetében is érvényesül. Megfigyelhető továbbá, hogy a fúvókához legközelebb eső profil esetén nem teljesen egyértelmű a sebességcsúcs kialakulása, amely főként a nagyobb porlasztónyomások esetében jelentkezik. Ennek fő okai közé tartozik, hogy a profil által meghatározott vizsgálati tartományban a kialakuló axiális sebességek olyan jelentős mértékű növekedést produkáltak, melyet a PDA már nem volt képes megfelelő minőségben detektálni. Továbbá, a szuperszonikus áramlási viszonyok mellett kialakuló permet a fúvóka közvetlen közelében sokkal sűrűbb jelleget képviselt a szubszonikus áramlási viszonyokkal összehasonlítva, amely már nem felet meg a PDA mérés sikeres kivitelezésére hivatott feltételnek, miszerint kellően ritkás permet szükséges a megfelelő minőségű mérés abszolválásához.

21


2015

0.3 bar 0.9 bar 2.1 bar

0.5 bar 1.1 bar 2.6 bar

0.7 bar 1.6 bar 3.1 bar

225

Axiális sebesség [m/s]

200 175 150 125 100 75 50 25 0 -6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Középponttól mért távolság [mm] 15. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló axiális sebességeloszlások (Z=10 mm)

Mivel

a

kialakuló

permet

alakja

nagymértékben

függ

az

alkalmazott

porlasztónyomás értékétől, így ebben a fejezetben kerülnek bemutatásra a kialakult permet formájáról készített fényképek. A szubszonikus és szuperszonikus áramlási mező összehasonlítása az 16. ábrán látható, melyet tükörreflexes kamera és sötét háttér együttes alkalmazásával készítettünk el. A 16. ábrán bemutatott permetképek 1.1 bar (bal) és 2.6 bar (jobb) porlasztónyomás alkalmazása mellett kerültek rögzítésre. Továbbá, a 17. ábrán két szubszonikus eset is bemutatásra kerül, amely összevethető a 16. ábrán bemutatott magasabb porlasztónyomáson kialakuló permet formációkkal. A készített fényképek alapján megállapítható, hogy magasabb porlasztónyomások alkalmazása esetén a fúvókához közelebb eső szakaszok vizsgálata nehezebb, mivel a permet sűrű szakaszának hossza megnövekedik, amely megnehezíti a méréseket. További problémát okoz a permet kezdeti szakaszán a jóval vékonyabb formában megjelenő tüzelőanyag-levegő keverékének kezdetleges interakciója, ahol jelentős mértékű kinetikus energianövekményt tapasztalhatunk a négyzetes összefüggés miatt. További szemléltető példát mutat a 18. ábrán bemutatott három porlasztónyomás esetének együttes vizsgálata. Az egymás mellé helyezett permetképek alapján megállapítható, hogy a kisebb nyomásértékektől a nagyobb

porlasztónyomás

felé

haladva

folyamatos

tapasztalhatunk a kialakuló porlasztási kúp átmérőjében. 22

jellegű

csökkenést


2015 [mm]

25

50

75

100

1.1 bar

2.6 bar

16. ábra: A kialakuló permetképek 1.1 és 2.6 bar porlasztónymás esetében

[mm]

25

50

75

100

0.5 bar

0.9 bar

17. ábra: A kialakuló permetképek 0.5 és 0.9 bar porlasztónyomás esetében

23


2015

18. ábra: A mérési tartomány három jellegzetes permetképének bemutatása

Az axiális sebesség eloszlásának másik kiértékelt esete a fúvókától legtávolabb eső (Z=50 mm) vizsgálat alá kerülő profil, melynek eredményeit a 19. ábra tartalmazza. Az eredmények alapján megállapítható, hogy a legtávolabbi eset vizsgálatnál a sebességcsúcsok egyértelműen a permet magjában helyezkednek el. A kialakuló sebességek értéke ekkora már olyan mértékben lecsökkent és az áramlási térben kialakuló permet oly mértékben stabilizálódott, hogy rendkívül magas – az egyes pontokban 70%-ot meghaladó – validációs rátával rendelkező, jó minőségű mérés vált kivitelezhetővé. 0.3 bar

0.5 bar

0.7 bar

0.9 bar

1.1 bar

1.6 bar

80


70 60 50 40 30 20 10 0 -15

-13

-11

-9

-7

-5

-3

-1

1

3

5

7

9

11

13

15

Középpontól mért távolság [mm] 19. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló axiális sebességeloszlások (Z=50 mm)

24


Az

axiális

2015

sebességeloszlások

kiértékelésének

összefoglalásaként

érdemes

elemzéseket végezni a vizsgálat alá kerülő profilok azonos porlasztónyomás melletti eseteire. A kiértékelt eredmények alapján, nyomon követhetővé válik a sebességek változása az egyes fúvókától mért távolságokban. Így, összehasonlítva egy általános szabadsugár egyes profiljaiban megvalósuló sebességeloszlásokkal, hasonlóságot tapasztalunk. Továbbá, szemléltető képet ad a sebességek nagyságrendjének kategorizálásában, amely összefüggésben van a PDA mérések validációs rátájával. Az azonos porlasztónyomás szerinti kiértékeléseket két eltérő esetre végeztük el, melynek eredményeit a 20. és 21. ábra tartalmazza. 0.5 bar; Z=15 mm

0.5 bar; Z=10 mm

0.5 bar; Z=50 mm

0.5 bar; Z=26,7 mm


80 70 60 50 40 30 20 10 0 -6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Középponttól mért távolság [mm] 20. ábra: Axiális profilok vizsgálata az axiális sebesség változásának szempontjából azonos porlasztónyomás mellett (0.5 bar)

Az eredmények alapján 0.5 bar porlasztónyomás esetében az egyes profilokban kialakuló sebességcsúcsok egyértelműen diagnosztizálhatóak, ami abból fakad, hogy a kialakuló sebességek maximális értékeinek egyike sem haladja meg a 100 m/s-ot. Továbbá megfigyelhető, hogy a két szélsőséges állapotban realizálható sebességcsúcs közel másfélszeres eltérést produkál. A fúvókától legtávolabbi (Z=50 mm) esetben a sebességek oly mértékben lecsökennek, hogy a fúvókától távolabbi eset vizsgálata egyértelműen elvetendő. A 2.1 bar porlasztónyomás mellett végzett kiértékeléseknél megfigyelhető, hogy a maximális sebesség értéke már megközelíti a 170 m/s-os

25


2015

értéket. Továbbá a két szélsőséges eset között diagnosztizálható sebességcsúcs összehasonlításában háromszoros eltérés tapasztalható. 2.1 bar; Z=15 mm

2.1 bar; Z=10 mm

2.1 bar; Z=50 mm

2.1 bar; Z=26,7 mm


165 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 0

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Középponttól mért távolság [mm] 21. ábra: Axiális profilok vizsgálata az axiális sebesség változásának szempontjából azonos porlasztónyomás mellett (2.1 bar)

3.2. Sauter középátmérő (SMD) eloszlásának értékelése A Fázis Doppler Anemométer (PDA) használatának köszönhetően lehetőségünk volt a permetben jelen lévő cseppek átlagos vizsgálatára, melyek jellemzésére a Sauter középátmérő (SMD) nyújtja a legjobb lehetőséget. Az SMD egy olyan skalárjellemző, amely a permetben lévő cseppek átlagos térfogat és felület viszonyával egyezik meg. Számtalan félempirikus összefüggés áll rendelkezésünkre, annak érdekében, hogy a csepp közepes átmérőjének értéke becsülhető legyen a porlasztóból való kilépéskor, azonban egyik sem nyújt tökéletes információt a közelítő jellege miatt. Ennek a hiányosságnak a kiküszöbölésére célszerű alkalmazni a PDA mérőberendezést, amely valós időben detektálja a porlasztóból kilépő, csepphalmazra jellemző SMD értékét.

26


2015

A kiértékelések az összes profilban minden egyes alkalmazott porlasztónyomás esetére elvégzésre kerültek, mivel a különböző vizsgálati tartományokban különböző jellegzetességek fedezhetőek fel. 0.3 bar 0.9 bar 2.1 bar

0.5 bar 1.1 bar 2.6 bar

0.7 bar 1.6 bar 3.1 bar

Sauter középátmérő[m]

50

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Középponttól mért távolság [mm] 22. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=10 mm)

A 22. ábrán látható eredmények a fúvókához legközelebbi (Z=10 mm) esetet tartalmazzák, ahol megállapítható, hogy a permet belsejében lévő SMD értékek többsége közel kétszer akkorára adódik, mint a permet határán, amely jellegzetesség főként a magasabb porlasztónyomások esetében tapasztalható. A profilban elhelyezkedő mérési pontok alapján egy gyűrűs porlasztási szerkezet fedezhető fel, melynek értelmében az esetek jelentős többségében a legkisebb SMD értékek a permet magja és határoló felülete közötti tartományban helyezkednek el. Ez alól kivételt képeznek az erősen szuperszonikus áramlási viszonyok mellett történő vizsgálatok, ahol a minimumértékek a permet határán helyezkednek el. A 23. ábrán látható eredmények továbbra is a fúvóka közelében értendőek, azonban a vizsgált profil minimális mértékben távolabb (Z=15 mm) helyezkedik el a 22. ábrán vizsgált esettől. Ebben az esetben is hasonló megállapításokat tehetünk, mint az előző esetben, mivel a két eset közötti távolság mértéke nem tekinthető olyan mértékűnek, melytől jelentős mértékű változást várnánk. Azonban, az áramlási térben történő vizsgáltok során megállapítható, hogy a szubszonikus áramlási viszonyok mellett az SMD értékek egy részének minimumhelye a permet magjában, 27


2015

míg másik része a köztes zónában helyezkedik el. A magasabb porlasztónyomások esetében az SMD értékek minimumhelyei a 22. ábrán bemutatott esethez hasonlóan helyezkednek el. 0.3 bar 0.9 bar 2.1 bar

0.5 bar 1.1 bar 2.6 bar

0.7 bar 1.6 bar 3.1 bar

35

Sauter középátmérő [m]

30 25 20 15 10 5 0 -6

-5

-4

-3

-2 -1 0 1 2 Középponttól mért távolság [mm]

3

4

5

6

23. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=15 mm) 0.3 bar

0.5 bar

0.7 bar

0.9 bar

1.6 bar

2.1 bar

2.6 bar

3.1 bar

1.1 bar

35 Sauter középátmérő [ m]

32 29 26 23 20 17 14 11 8 5 2 -12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

Középponttól mért távolság [mm] 24. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=26.7 mm)

28

12


2015

A 24. ábrán látható eredmények a fúvókától már jelentősebb mértékben eltávolodott (Z=26.7 mm) eset vizsgálatát prezentálják. Az eredmények teljes mértékben ellentétes karakterisztikát produkálnak a 22. és 23. ábrán vizsgáltakhoz képest. Az elemzések alapján belátható, hogy a fúvókától távolodva fokozatosan egyre kisebb SMD értékeket detektálhatunk. Azonban ebben az esetben a permet határán lesz közel kétszer akkora az SMD, mint a permet magjában. Az előbb leírt jelenség főként a szubszonikus áramlási viszonyokra jellemző, mivel az egyre nagyobb porlasztónyomások esetében a két jellegzetes pozícióban megvalósuló SMD értékének

viszonyszáma

folyamatos

jellegű

csökkenést

produkál.

Továbbá,

megfigyelhető, hogy a legmagasabb porlasztónyomások alkalmazásának esetében az SMD értéke az összes profil vizsgálata során a permet magjában veszi fel a


maximumát. 0.3 bar

0.5 bar

0.7 bar

0.9 bar

1.1 bar

1.6 bar

37 34 31 28 25 22 19 16 13 10 7 4 -15

-13

-11

-9

-7

-5

-3

-1

1

3

5

7

9

11

13

15

Középponttól mért távolság [mm] 25. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=50 mm)

A 25. ábrán látható eredmények a fúvókától legtávolabbi (Z=50 mm) eset elemzését tartalmazzák. A kapott eredmények jelentős mértékű hasonlóságot mutatnak a 24. ábra kapcsán tárgyalt összefüggésekkel, mivel az áramlási tér ezen szakaszán már a relatív sebesség kicsinek tekinthető, ezáltal a cseppek nem tudnak tovább aprózódni, így további SMD értékcsökkenés már csak csekély mértékben tapasztalható. A permet szélére kisodródó nagyobb méretű cseppek az egyes szubszonikus esetekben közel háromszor akkora SMD értéket produkáltak, mint a permet magjában elhelyezkedőek. A nagyobb porlasztónyomások esetében az egyes mérési pontokban 29


2015

kialakuló SMD értékek vizsgálatánál már csak minimális mértékű eltérést diagnosztizálhattunk. Az előbbiekben vizsgált összes profil kiértékelése mellett célszerű bemutatni a profilok vizsgálatát azonos porlasztónyomás mellett is, melyek eredményeit a 26. és 27. ábra tartalmazza. A kiértékelési módszertan változtatásával kapott eredmények


teljes mértékben alátámasztják a fejezetben eddig tárgyalt megállapításainkat. 0.5 bar; Z=15 mm

0.5 bar; Z=10 mm

0.5 bar; Z=50 mm

0.5 bar; Z=26,7 mm

30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 -6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Középponttól mért távolság [mm] 26. ábra: Axiális profilok vizsgálata SMD változás szempontjából azonos porlasztónyomás mellett (0.5 bar) 2.1 bar; Z=15 mm

2.1 bar; Z=10 mm

2.1 bar; Z=50 mm

2.1 bar; Z=26,7 mm


40 35 30 25 20 15 10 5 0 -6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Középponttól mért távolság [mm] 27. ábra: Axiális profilok vizsgálata SMD változás szempontjából azonos porlasztónyomás mellett (2.1 bar)

30

5

6


2015

3.3. A mérés validációja Az elvégzett mérések sorozatához célszerű elemzéseket készíteni a mérés hitelességére vonatkozóan annak érdekében, hogy meghatározhatóvá váljanak azok a kritikus tartományok, ahol a mérési eredmények csak bizonyos fenntartásokkal kezelhetőek. A

mérések hitelességének relatív

mérésére

a Fázis

Doppler

Anemométer által felkínált validációs ráta szolgál. Ez az esetek döntő többségében meghaladta a 60 %-os értéket, amely megfelelőnek mondható a mérés hitelességének szempontjából, mivel a jelentős mértékű relatív sebesség és a kisméretű cseppek összessége megnehezíti a mérés kivitelezését. A 28. ábrán látható validációs ráták változása az összes vizsgálat alá kerülő profil 0.3 bar porlasztónyomás melletti eseteire kiértékelésre került. Az eredmények alapján megállapítható, hogy a kritikus tartomány – mely az összes alkalmazott porlasztónyomás esetére hasonlóságot mutatott – a permet középpontjában helyezkedik el. A validációs ráták ebben az esetben akár 40 % alá is csökkenhetnek, amely már nem mondható kielégítőnek, de mivel a mérési sorozat eredményeihez megfelelő módon illeszkedik, ezért a szolgáltatott eredmények elfogadhatónak tekinthetőek. 0.3 bar Z= 50 mm

0.3 bar Z=26 mm

0.3 bar Z=15 mm

0.3 bar Z=10 mm

78

Validációs ráta [%]

72 66 60 54 48

42 36 30 -14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Középponttól mért távolság [mm] 28. ábra: A validációs ráták alakulása különböző profilok mentén, azonos porlasztónyomás mellett (0.3 bar)

Továbbá megfigyelhető a 28. ábrán, hogy jelentős validációs ráta csökkenés tapasztalható a fúvókához közelebb eső profilok vizsgálata során, mivel ezen a 31


szakaszon

még

jelentős

2015

lehet

a

porlasztóközeg

és

a

cseppek

közötti

sebességkülönbség. Így a másodlagos porlasztás jelenléte egyértelműen torzítja a mérési adatokat, amely negatív hatással van a validációs rátára. A 29. ábrán az összes vizsgálat alá kerülő porlasztónyomás során tapasztalható validációs ráta változásának kiértékelése került bemutatásra 15 mm távolságra a fúvókától.

A

vizsgálati

módszer

segítségével

megállapítható,

hogy

a

porlasztónyomás fokozatos növekedésével folyamatos jellegű validációs ráta csökkenést

tapasztalhatunk

minden

egyes

mérési

pontban.

A

maximális

porlasztónyomás alkalmazása esetén a validációs ráta értéke már 20% körüli értékeket mutatott, viszont még továbbra is a mérési sorozatunkba illeszkedő, elfogadhatónak tűnő eredményeket szolgáltatott. 0.3 bar 0.9 bar 2.1 bar

0.5 bar 1.1 bar 2.6 bar

0.7 bar 1.6 bar 3.1 bar

79

Validációs ráta [%]

71 63 55 47 39 31 23 15 -6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Középponttól mért távolság [mm] 29. ábra: A validációs ráták alakulása különböző porlasztónyomások mellett (Z=15 mm)

A mérés validációjára vonatkozó kritikai értékeléseinket több szempont szerint is elvégezhetjük, mivel a PDA által alkalmazott szoftver több olyan paramétert is szolgáltatott számunkra, melyekből a mérések hitelessége vizsgálhatóvá vált. Ezek közé tartozik az előbbiekben bemutatott validációs ráta mellett a teoretikus modellre építő gömbszimmetrikussági arány, amely képes definiálni, hogy az adott mérési pontunkban detektált egyedi cseppek, átlagosan milyen közel esnek a gömbhöz. Továbbá, az egyes mérési pontokból származtatott mintavételezések száma és az adat ráta is a mérés hitelességének kritikai értékelését segíti. Az összefoglaló és 32


2015

demonstratív jelleg végett a 30. és 31. ábrán az előbbi jellemzők átlagolt értékei kerülnek bemutatásra a vizsgálat alá kerülő összes porlasztónyomás esetében. Az átlagolásokat

az

egyes

profilokban

megvalósuló

összes

mérési

pont

figyelembevételével végeztük el. 18000

Mintavételezés száma [db]

16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0.3 bar

0.5 bar

0.7 bar

0.9 bar

1.1 bar

1.6 bar

2.1 bar

2.6 bar

3.1 bar

30. ábra: Átlagolt mintavételezés száma különböző porlasztónyomások esetén (Z=10 mm) 4500 4000

Adat ráta [1/s]

3500 3000 2500 2000

1500 1000 500 0 0.3 bar

0.5 bar

0.7 bar

0.9 bar

1.1 bar

1.6 bar

2.1 bar

2.6 bar

3.1 bar

31. ábra: Átlagolt adat ráta változása a különböző porlasztónyomások mellett (Z=10 mm)

33


2015

A 30. és 31. ábrán látható eredmények alapján megállapítható, hogy a porlasztónyomás növekedésével mind a mintavételezések száma, mind az adat ráta jelentős mértékű csökkenést produkál. Ezek alapján megállapítható, hogy validációs szempontból a legjobb eredményeket a szubszonikus áramlási viszonyok között történő vizsgálatok produkálták. Számos kiértékelést végeztük a mérés validációjára vonatkozóan, azonban ezek összefoglalását célszerű egy olyan kumulált módszerrel vizsgálni, ahol az elemzések középpontjába az egyes vizsgálat alá kerülő profilok összehasonlítása kerül. A 32. ábrán bemutatásra kerülő átlagolt mintavételezések száma az egyes profilokban az összes

porlasztónyomás

figyelembevétele

mellett

került

kiértékelésre.

Az

eredmények jól prezentálják számunkra azt a tényt, hogy a porlasztó fúvóka közvetlen közelében a maximálisan vételezendő minták számának csupán a huszadrészét sikerült detektálni. Ezzel kapcsolatosan viszont érdemes megjegyezni, hogy a kevésnek tűnő, gyűjtött mintaszámból nem vonható le a mérés sikertelenségére vonatkozó megállapítás, viszont ezeken a tartományokon a későbbiekben, azonos peremfeltételek alkalmazása mellett célszerű összehasonlító méréseket végezni. 250000

Átlagolt minták száma [db]

225000 200000 175000 150000 125000 100000 75000 50000 25000 0 Átlagolt minták (Z=10 mm)

Átlagolt minták (Z=15 mm)

Átlagolt minták (Z=26.7 mm)

Átlagolt minták (Z=50 mm)

32. ábra: Átlagolt mintavételezések száma az egyes axiális profilokban

34


2015

3.4. Az integrált Sauter középátmérő A levegő segédközeges porlasztók által generált cseppek az áramlási térben nem egyenletesen helyezkednek el, még a fúvóka kilépő nyílásától kellő távolságban sem. Jelentős mértékű változásokat tapasztalhatunk a porlasztás tengelyére merőleges sugárirányban, melynek szemléltetése az 33. ábrán látható [6]. Az eredmények kiértékelésének és összehasonlításának érdekében célszerű válik egy olyan paraméter alkalmazása, amely globálisan jellemzi a permet minőségét. Erre a feladatra szokás alkalmazni az integrált Sauter középátmérőt (ID32), mellyel lehetőségünk nyílik a validációs eredmények figyelembevétele mellett az egyes profilokra globálisan jellemző SMD értékek meghatározására. Az alkalmazott összefüggést (4) foglalja magába, míg az egyenlet értelmezését a 6. táblázat tartalmazza [6].

33. ábra: A permetben profiljaiban kialakuló sugárirányú változások szemléltetése [6]

∑n (ri∗D30,i 3 ∗fi )

ID32 = ∑i=2 n

2 i=2(ri∗D20,i ∗fi )

(4)

Paraméter

Magyarázat

ID32

Integrált Sauter középátmérő [μm]

ri

Középponttól mért sugárirányú távolság [mm]

D30

Térfogati közepes cseppátmérő [μm]

D20

Felületi közepes cseppátmérő [μm]

fi

i-edik mérési pont adat rátája [Hz] 6. táblázat: A 4. egyenletben szereplő paraméterek értelmezése

35


2015

ID32 Eset

0.3 bar

0.5 bar

0.7 bar

0.9 bar

1.1 bar

1.6 bar

2.1 bar

2.6 bar

3.1 bar

Z=10 mm

24,994

21,771

18,785

20,543

18,915

14,843

13,663

18,375

13,476

Z=15 mm

21,929

19,018

17,059

16,762

15,540

15,850

15,850

11,095

12,435

Z=26.7 mm

28,403

23,534

21,391

9,079

19,932

14,028

13,282

6,796

7,246

Z=50 mm

25,387

17,257

13,327

11,881

10,303

8,183

7,528

6,913

6,699

7. táblázat: Az integrált Sauter középátmérőre kapott eredmények összefoglalása

A 7. táblázatban összefoglalásra kerültek a (4) egyenlet alapján származtatott integrált

Sauter

középátmérő

eredményei,

melyek

a

34.

ábrán

váltak

szemléltethetővé. A 34. ábrán látható eredmények alapján belátható, hogy a porlasztónyomás fokozatos növelésével az SMD értékek folyamatos jellegű csökkenése figyelhető meg. Továbbá, a kisebb porlasztónyomások tartományában történő változások nagyobb hatással vannak az SMD értékére, mint a szuperszonikus körülmények közötti változtatások. Ezáltal azt a megállapítást tehetjük, hogy a porlasztónyomás növelése csak egy bizonyos nyomásértékig szolgáltat számunkra kedvezőbb értékeket. Z=10 mm

Z=15 mm

Z=26.7 mm

Z=50 mm

30 27

24

ID32 [m]

21 18 15 12

9 6 3 0 0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3

3,3

Alkalmazott porlasztónyomás [bar] 34. ábra: A mérési eredményekből származtatott integrált Sauter középátmérő változása a vizsgált profilokban

36


2015

A 34. ábrán tapasztalható eredmények teljes mértékben illeszkednek a 2.3. fejezetben tárgyalt, 9. ábrán bemutatott előzetes várható, teoretikus alapokra építő közelítő eredményekhez. Azonban, a mérési eredményeink közül a Z= 26.7 mm-es vizsgálati profil esetében a 0.9 bar porlasztónyomáshoz tartozó eredmény a mérési sorozatból kiugró eltérést produkál. A jelenség magyarázatának tisztázása érdekében megismételtük a mérést a Z=26.7 mm-es profil esetében. A viszonyítási alap érdekében elvégeztük a Z=50 mm-es profil mérését és kiértékelését is, aminek két fő indoka volt. Egyrészt, a PDA kalibrációja során kialakított mérési algoritmus során a Z=26.7 és 50 mm-es esetek mérését együtt végeztünk, így célszerű volt a meglévő algoritmus használata az új mérés kivitelezésére. Másrészt pedig, azzal a feltételezéssel éltünk, hogyha egy másik vizsgált profil vizsgálata ugyanazt az eredményt szolgáltatja, mint az első mérési sorozat során, akkor az új mérések során kapott eredmények hitelesnek és elfogadhatónak tekinthetőek a problémás profil vizsgálatára vonatkozóan is. A várakozásainknak megfelelően azt tapasztaltuk, hogy a Z=26.7 mm-es profil 0.9 bar porlasztónyomásánál diagnosztizálható eltérő eredmény, mérési hibának tudható be. A kialakuló mérési hiba oka többféle nézőpont szerint is indokolható, mivel előfordulhat, hogy a permetet olyan külső behatásra keletkező zavarás terhelte, amely már nagymértékben lerontotta a detektálás minőségét. Z=50 mm

Z=26.7 mm

36 33 30 27 ID32 [μm]

24 21 18 15 12 9 6 3 0

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

Alkalmazott porlasztónyomás [bar] 35. ábra: Az integrált Sauter középátmérő változása az összehasonlító mérés alapján

37

2,4


2015

4. Numerikus szimuláció Az elmúlt években a műszaki és egyéb területeken az áramlások numerikus szimulációja rendkívül gyors fejlődésen ment keresztül. Ez a fejlődés tette lehetővé, hogy az áramlástan alapegyenleteinek: a tömeg-, az impulzus- és az energia megmaradást kifejező kontinuitás, mozgás- és energia egyenlet, valamint egyéb mennyiségek (turbulencia, többkomponensű és/vagy fázisú anyagok, szilárd szemcsék) transzportegyenleteinek numerikus megoldására épülő szoftvereket eredményesen lehet alkalmazni gyakorlati feladatok megoldására. A CFD kódok egyik legfontosabb alkalmazási területének az energetikát tekinthetjük, mivel itt alakulnak ki olyan kevert – hőtani, mechanikai és áramlástani – problémák melyekre első lépésként célszerű a numerikus szimuláció alkalmazása. A

hatékony

és

korszerű

áramlástani

kódok

gyakorlati

alkalmazását

a

világviszonylatban piacvezető FLUENT véges térfogat alapú szoftver segítségével valósítottuk meg. A numerikus szimuláció alapját a vizsgált áramlási tér elemi térfogatrészekre, cellákra való felosztása adja. A mérések során alkalmazott porlasztót, amelyet pontos méreteivel együtt modelleztünk, ICEM geometriakészítő szoftverkörnyezetben valósítottuk meg. A két szoftver együttes alkalmazása lehetővé tette számunkra a mérések során vizsgált jelenségek numerikus szimulációját. A peremfeltételek kialakításánál szem előtt tartottuk az előmérések során kapott eredményeket, így a tüzelőanyag típusa, viszkozitása, sűrűsége és az alkalmazott porlasztónyomások hűen tükrözik a valós mérések során alkalmazott és adódó értékeket. A következőekben a 4.1. és 4.3. alfejezetben bemutatásra kerül a megvalósított porlasztógeometria, az alkalmazott peremfeltételek, a numerikus szimuláció legfontosabb beállításai és a 4.4. fejezetben ezek összességéből kapott eredmények összefoglalása. Továbbá, a megfelelő térbeli diszkretizáció biztosításához szükséges a megvalósított porlasztógeometriához tartozó hálófüggetlenségi vizsgálat is, amely a 4.2. fejezetben kerül bemutatásra.

4.1. Alkalmazott geometriai modell bemutatása A numerikus szimuláció elvégzéséhez valós – 2 dimenziós – porlasztógeometria modellezését végeztük el ICEM szoftverkörnyezetben. A megvalósított valós paraméterekkel

felruházott

porlasztógeometriához

megfelelően

nagyméretű

áramlási teret csatoltunk a folyamat zavartalan lefolyása érdekében. A kialakított 38


2015

geometria szemléltetése a 36. ábrán látható, ahol az egyes jellemző paraméterek értékei is bemutatásra kerülnek. A geometria tengelyszimmetrikusságából fakadóan elegendő a kialakítás egyik felét modellezni, majd tükrözni a kapott eredményeinket a szemléletesség érdekében.

36. ábra: Az egyszerűsített porlasztógeometria és áramlási tér modellje

4.2. Hálófüggetlenségi vizsgálat A megfelelő térbeli diszkretizáció biztosításához szükséges hálófüggetlenségi vizsgálatot végezni. Ez a vizsgálati módszer a cellaszám változtatásán alapszik, aminek az egyes élekre definiált, alapértékeihez viszonyított százalékos eltérései kerültek vizsgálat alá. Az első megvalósított geometria cellaszáma már a cseppek vizsgálata nélkül is túl hosszú futási időt eredményezett, így a változtatások a cellaszámok csökkentésére irányultak. Az 1. és 2. háló között közel 8-szoros különbség adódik, mivel arra törekedtünk, hogy megtaláljuk a még éppen megfelelőnek bizonyuló legkisebb cellaszámmal rendelkező hálózást. A 2. hálótól kezdve a cellaszámok felezésére törekedtünk, mivel ebben a cellaszám tartományban már várható volt a hálózásból fakadó eredmények hanyatlása. Az egyes esetekhez kapcsolódó cellaszám értékeket a 8. táblázat tartalmazza.

39


2015

Hálózás sorszáma

Cellaszám

1.

822 357

2.

112 349

3.

42 909

4.

27 726

8. táblázat: A vizsgálati esetekben megvalósuló cellaszámok értékei

A vizsgálatainkat tehát négy különböző cellaszámmal rendelkező geometriai modellre végeztük el. A hálófüggetlenségi vizsgálatot a cseppekből fakadó megnövekedett futtatási idők miatt, csak a levegő segédközeg egyedüli áramlási térbe jutására végeztük el, azonban ebből már elegendő információt nyertünk a háló minőségére vonatkozóan. A kiértékelésre kerülő hálók esetében két porlasztónyomás alkalmazása került vizsgálatra, melyet célszerűen a mérés során alkalmazott legkisebb (0.3 bar) és legnagyobb (3.1 bar) eset szolgáltatta. Ezáltal vizsgálhatóvá vált a hálózásból fakadó eredmények minősége szubszonikus és szuperszonikus áramlási viszonyok mellett is. 1.eset

2.eset

3.eset

4.eset

180 160


140 120 100

80 60 40 20 0 0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

Középpontól mért távolság [m] 37. ábra: Axiális sebességek alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 0,3 bar)

Az elemzés alá kerülő paraméterek közé tartozott az axiális sebesség, radiális sebesség, abszolút sebesség nagysága, turbulens kinetikus energia, statikus nyomás, sűrűség és a statikus hőmérséklet értéke. Az előbb felsorolt paraméterek két profil alapján kerültek kiértékelésre, amit a porlasztó fúvókához legközelebb eső két profil (Z=10 és 26.7 mm) szolgáltatott. 40


2015

1.eset

2.eset

3.eset

4.eset

120

Statikus nyomás [Pa]

100 80 60 40 20 0 -20 0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

Középponttól mért távolság [m] 38. ábra: A statikus nyomások alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 0,3 bar) 1.eset

2.eset

3.eset

4.eset

302

Statikus hőmérséklet [K]

300 298 296 294 292 290 288 286 0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

Középponttól mért távolság [m] 39. ábra: A statikus hőmérséklet alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 0,3 bar)

Az eredmények bemutatását a szubszonikus és szuperszonikus áramlási viszonyok mellet is három-három szemléltető példán keresztül végeztük el. Mivel a porlasztó fúvókához legközelebb eső profil okozhatja a legnagyobb problémát az ebben a tartományban rendkívül gyorsan lejátszódó folyamatok miatt, így mindkét 41


2015

áramlási viszony bemutatása a fúvókához közelebb eső eset eredményein keresztül kerül bemutatásra. A szubszonikus esetben bemutatásra kerülő három paraméter az axiális sebesség, a statikus nyomás és a statikus hőmérséklet. A szubszonikus áramlási viszonyok mellett kapott eredményeket a 37-39. ábrák tartalmazzák. A szubszonikus áramlási viszonyok mellett történő szimulációs eredményekből megállapítható, hogy a 4. hálózás már egyértelműen elvetésre kerülhet, mivel mindhárom paraméter szerint

vizsgált

esetben

eltérést

mutat

a nagyobb

cellaszámmal rendelkező elődjeihez képest. Azonban, az eredményeket célszerű megvizsgálni a már korábban említett szuperszonikus

áramlási

viszonyok

mellett

is,

így

az

erre

vonatkozó

hálófüggetlenségi vizsgálat eredményei a 40.-42. ábrákon látható. A vizsgálat alá kerülő paraméterek a szuperszonikus áramlási viszonyok mellett az axiális sebesség, turbulens kinetikus energia és a statikus hőmérséklet. 1.eset

2.eset

3.eset

4.eset

450


400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

Középponttól mért távolság [m] 40. ábra: Axiális sebességek alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 3,1 bar)

42

0,0025


2015

1.eset

2.eset

3.eset

4.eset

Turbulens kinetikus energia [m2/s2]

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

Középponttól mért távolság [m] 41. ábra: Turbulens kinetikus energia alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 3,1 bar) 1.eset

2.eset

3.eset

4.eset

350

Statikus hőmérséklet [°C]

300 250 200 150 100 50 0 0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

Középponttól mért távolság [m] 42. ábra: A statikus hőmérséklet alakulása a különböző finomságú hálók esetében (Z=10 mm, 3,1 bar)

43

0,0025


2015

A szuperszonikus áramlási viszonyok mellett történő kiértékelések alapján azonos következtetések vonhatók le, mint a szubszonikus esetben. Így, a 4. hálózási struktúrával ellátott geometria egyértelműen elvetésre került. Annak érdekében, hogy a szimulációs eredményeinket a lehető leggyorsabban megkapjuk a hálófüggetlenségi vizsgálatra alapozva a 3. háló alkalmazásával végeztük a további vizsgálatainkat.

4.3. A peremfeltételek és szimulációs beállítások A numerikus szimulációban alkalmazott levegő segédközeges porlasztóra definiált paraméterek összefoglalását az 9. táblázat tartalmazza.

Paraméter

Beállított érték

X irányú pozíció

0

Y irányú pozíció

0

Hőmérséklet [K]

300

Relatív sebesség [m/s]

300

Belépő szabadsugarak száma [db]

2

Tömegáram [kg/h]

1,26

Tüzelőanyag fúvóka átmérője [mm]

0.4

Porlasztási félkúpszög [°]

20

Porlasztó diszperziós szög [°]

6

9. táblázat: A levegő segédközeges porlasztó szimulációs modelljére alkalmazott paraméterek

A porlasztani kívánt folyékony tüzelőanyag paramétereit a 10. táblázat tartalmazza.

Paraméter

Beállított érték

Sűrűség [kg/m3]

825

Fajhő [J/kgK]

2090

Viszkozitás [kg/ms]

0.0035

Cseppekre ható felületi feszültség [N/m]

0.0263

10. táblázat: A folyékony tüzelőanyag beállított paraméterei

44


2015

A modellben alkalmazott legfontosabb beállítások a 10. táblázatban találhatóak. Beállítási lehetőség

Beállított jellemző

2D Space

Axysimmetric

Megoldó típusa

Density-Based

Részecskék kezelése

Tranziens

Energiaegyenlet

Bekapcsolva Reynolds Stress modell: i. Enhanced Wall Treatment

Viszkózus modell

ii. Pressure Gradient Effects iii. Compressibility Effects 1) Folytonos Fázis 2) DPM források frissítése iterációnként 3) Követési paraméterek: i. Maximum 50000 lépés ii. Követési lépték: 0.01 [mm]

DPM modell

4) Fizikai modellek: i. Virtual Mass Force ii. Pressure Gradient Force iii. Stochastic Collision iv. Coalescence v. Breakup 1) Implicit 2) Roe-FDS 3) Gradient: Least Squares Cell Based

Megoldási metódus

4) Flow: Second Order Upwind 5) TKE: Second Order Upwind 6) TDR: Second order Upwind 7) RS: Second Order Upwind 8) TF: Second Order Upwind

Courant-szám

0.75

Időlépés [s]

2*10-8 (0.3 bar); 4*10-9 (3.1 bar)

11. táblázat: A modellben alkalmazott fő beállítások összefoglalása

45


2015

4.4. Szimulációs eredmények bemutatása, kritikai értékelése A numerikus szimulációt az előbbi fejezetben ismertetett porlasztógeometria és peremfeltételek együttes alkalmazása mellett végeztük el. A kapott eredmények csak demonstratív jelleget képviselnek, mivel a porlasztási mechanizmus numerikus szimulációja nem egyértelmű, így a modell további finomításokra szorul a méréssel való kielégítő összehasonlítás érdekében. A szimuláció során alkalmazott beállítások esetében első körben az porlasztási folyamathoz rendelt alapbeállítások vizsgálatát végeztük el. Ez alapján lehetőségünk volt megállapítani – a rendelkezésre álló valós mérési adatok alapján – a numerikus szimuláció hibáit, amely az irodalom által ismert, hogy rosszul közelíti a valóságot [11]. A szimulációs eredmények kiértékelésénél szem előtt tartottuk a valós mérések kiértékelésénél alkalmazott módszertani megfontolásokat. Ezáltal, a kiértékelések a cseppek sebességének és az SMD értékének eloszlásaira irányulnak. Az elvégzett mérések esetében a kiértékelések, különböző axiális távolságokra merőleges és sugárirányú

változások

elemzését

tartalmazták.

A

numerikus

szimuláció

kiértékelésének esetében az alkalmazott porlasztónyomások közül a két szélsőséges (0.3 és 3.1 bar) eset került vizsgálat alá annak érdekében, hogy szubszonikus és szuperszonikus áramlási viszonyok mellett is értékelni tudjuk a kapott szimulációs eredményeinket. Ennek függvényében először a 0.3 bar porlasztónyomás értékhez tartozó eredményeket mutatjuk be. Az axiális sebességek változását prezentáló kontúrképet a 43. ábra tartalmazza.

43. ábra: Az axiális sebességsekből (m/s) kialakuló sebességmező (0.3 bar)

46


2015

A 43. ábra és a későbbiekben bemutatott eredmények főként a szemléletességet szolgálják, azonban észrevehető, hogy a képződő cseppek nem terjednek el kellő mértékben az áramlási térben. A szimulációs eredmény alapján kapott permet határa a középponttól mérve 2 mm-re adódik, míg a valós mérés során már a fúvókához közeli szakaszok esetében is 13 mm körüli értéknél állapítottuk meg a permetből fakadó aktuális átmérő értékét (lásd. 4. táblázat), amely definiálja a permet határát. Továbbá, a 16-18. ábrákon bemutatott permetképeken is egyértelműen definiálhatóak a valós mérések során kialakuló permetek határai. Így ebből a szempontból való vizsgálat eredménye jelentős eltérést produkál a valósághoz képest. Ahhoz, hogy további következtetéseket tudjunk levonni a numerikus szimuláció porlasztási mechanizmusának minőségéről, hasonló diagramokat készítettünk, mint a valós mérésünk esetében alkalmazott kiértékelések során. A szimulációs eredmények ezen módszertan szerinti kiértékelését azonos porlasztónyomás

alkalmazása

mellett,

különböző

profilok

együttes

összehasonlításával egyetemben ábrázoltuk. A szubszonikus áramlási esetre értelmezett sebességeloszlás alakulása a szimulációs eredmények alapján, a 44. ábrán látható. Z=10 mm

Z=15 mm

Z=26.7 mm

Z=50 mm

120


100 80 60 40 20

0 -1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Középponttól mért távolság [mm] 44. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott axiális sebességek alakulása (0.3 bar)

A numerikus szimuláció szubszonikus esetre vonatkoztatott eredményei alapján megfigyelhető a sebességek erős fluktuációja. Az egyes középponttól mért távolságokból fakadó trend értelmében az axiális sebességek értékei a permet 47


2015

határától a középpontjáig fokozatos növekedést produkálnak, azonban a permet magjában egy jelentős sebességcsökkenés tapasztalható, amely a mérések során nem volt jellemző. Ennek ellenére az egyes profilok középpontjában kialakuló sebességek összehasonlítását elvégezhettük, melynek eredményeit az 12. táblázat tartalmazza a szubszonikus (0.3 bar) vizsgálati esetre vonatkozóan. A szimulációs eredményekből fakadó sebességek bemutatása esetében egy intervallumot határoztunk meg, aminek két fő oka van. Egyrészt, a szimulációs eredményekből fakadó, kimentett értékek közötti lépték 0.067 mm, amit a valós mérés során alkalmazott traverz mozgatórendszer már nem képes lekövetni. Másrészt, a profilok pontos beállítását biztosító rendszer hibával terhelt, így a műszaki tapasztalatokra hagyatkozva, a szimuláció esetében tartományokat választottunk a méréssel való összehasonlítás érdekében. Profil Z [mm]

Mérés [m/s]

Szimuláció [m/s]

10

68.12

71.12 (0) – 61.88 (0.067)

15

63.42

49.88 (0) – 61.05 (0.067)

26.7

42.24

49.54 (0) – 48.86 (0.067)

50

24.61

25.1 (0) – 31.9 (0.067)

12. táblázat: A mérésből és szimulációból fakadó axiális sebességek összehasonlítása (0.3 bar) 10 mm

15 mm

26.7 mm

50 mm

250


200

150

100

50

0 -0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

Középponttól mért távolság [mm] 45. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott axiális sebességek alakulása (3.1 bar)

48

0,4


2015

Érdemes vizsgálatokat készíteni a szuperszonikus áramlási viszonyok (3.1 bar) mellett kialakuló, axiális sebességek változására vonatkozó eredményekre is, melyet a 45. ábra tartalmaz. A változások bemutatása kontúrképek segítségével is bemutatásra került, amely a 46. ábrán látható.

46. ábra: Az axiális sebességsekből (m/s) kialakuló sebességmező (3.1 bar)

Az eredmények alapján megfigyelhető, hogy a szuperszonikus esetben, a sebességmaximumok a permet magjában helyezkednek el. Ez alól kivételt képez a fúvókához legközelebb eső profil (Z=10 mm) vizsgálata, ahol egyértelműen sebességminimumot realizálunk a középpontban, amely egyik mérési pontunk elemzése

során

sem

volt

tapasztalható

jelenség.

A

sebességmaximumok

összehasonlítása során azt tapasztaltuk, hogy vannak olyan tartományok a szimulációs eredmények kiértékelésében, melyek jól közelítik a valóságot, azonban diagnosztizálhatunk olyan régiókat, melyek jelentős mértékű eltérést produkálnak. A szuperszonikus eset mérési és numerikus eredményeinek összehasonlítása a 13. táblázatban található. Profil Z [mm]

Mérés [m/s]

Szimuláció [m/s]

10

40.45

22.82 (0) – 52,00 (0.067)

15

37.84

152.58 (0) – 118.05 (0.067)

26.7

147.17

166.73 (0) – 171.03 (0.067)

50

79.44

142.14 (0) – 148.83 (0.067)

13. táblázat: A mérésből és szimulációból fakadó axiális sebességek összehasonlítása (3.1 bar)

A cseppek vizsgálatának esetében is kiértékelésre kerültek a szimulációs eredmények, melyeket ugyanazon módszertani megfontolások szerint végeztünk el, 49


2015

mint az axiális sebességek kiértékelésénél. A szubszonikus áramlási viszonyok mellett kialakuló SMD értékek változását a 47. ábra tartalmazza, amely kontúrkép segítségével is ábrázolásra került a 48. ábrán. A kiértékelt eredmények alapján megfigyelhető, hogy a legkisebb SMD értékek a permet magjának környezetében csoportosulnak,

ahogyan

az

a

valós

mérési

eredmények

sorozatában

is

megfigyelhető volt. 10 mm

15 mm

26.7 mm

50 mm

0,2

0,6

35

Sauter középátmérő [μm]

30 25

20 15 10 5 0 -1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,4

0,8

1

Középponttól mért távolság [mm] 47. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (0.3 bar)

Profil Z [mm]

Mérés [μm]

Szimuláció [μm]

10

20.33

18.29 (0) – 16.24 (0.067)

15

17.34

1.61 (0) – 2.63 (0.067)

26.7

14.39

1.79 (0) – 2.06 (0.067)

50

14.57

0.91 (0) – 1.48 (0.067)

14. táblázat: A mérésből és szimulációból fakadó SMD értékek összehasonlítása (0.3 bar)

A 14. táblázatban összehasonlításra kerültek a mérésből fakadó és a szimulációs eredményekből

származtatott

SMD

értékek.

Az

összehasonlítás

alapján

megállapítható, hogy a szimulációs eredmények alapján, már az áramlási tér elég korai fázisában megtörténik a cseppek jelentős mértékű aprózódása, mely a mérési eredményeknél fokozatosan lecsengő jelleget produkált. A fúvókához legközelebbi 50


2015

régió esetét leszámítva, – amely jól közelíti az SMD értékét – a két módszertan alapján kapott eredmények igen távol állnak egymástól.

48. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (0.3 bar) 10 mm

15 mm

26.7 mm

50 mm

6

Sauter középátmérő [μm]

5 4 3 2 1 0 -0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

Középponttól mért távolság [mm] 49. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (3.1 bar)

Ahogyan

az

axiális

sebességek

kiértékelésénél

is

eljártunk,

célszerű

a

szuperszonikus esetben is elemzéseket készíteni. Az SMD értékek változásának bemutatása a 49. ábrán látható, amely kontúrképek segítségével is ábrázolásra került az 50. ábrán. A kiértékelt eredmények alapján ugyancsak megfigyelhető, – a 51


2015

szubszonikus esetben is tapasztalható jelenség – miszerint a legkisebb SMD értékek a permet

magjának

környezetében

csoportosulnak,

azonban

nagyobb

porlasztónyomások esetében a mérés alapján, a kisebb cseppek a permet szélére sodródnak, így ezen porlasztónyomás tartományából fakadó trend alapján nem realizálható egyezés a mérés és a szimulációs eredmények között. Továbbá a 15. táblázatban összefoglalásra kerültek az egyes profilokban kialakuló SMD értékek, ahol szintén jelentős mértékű eltérést diagnosztizálhatunk, így a szuperszonikus áramlási viszonyok mellett adódó szimulációs eredmények SMD értékeire irányuló összehasonlításoknak sincs létjogosultsága. Profil Z [mm]

Mérés [μm]

Szimuláció [μm]

10

48.32

0.58 (0) – 1.44 (0.067)

15

34.44

1.87 (0) – 1.48 (0.067)

26.7

9.44

2.05 (0) – 2.41 (0.067)

50

8.25

2.91 (0) – 2.51 (0.067)

15. táblázat: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (3.1 bar)

50. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (3.1 bar)

Az értékelés során célszerű elemzéseket készíteni a fúvóka tengelyén történő változásokra vonatkozóan is, azonban a mérési sorozatunk során ilyen jellegű mérések

elvégzésére

nem

kerítettünk

sort,

így

ezen

módszertan

szerinti

összehasonlításra nincs lehetőségünk. Ennek ellenére, szemléltető eredményeket szolgáltat a szimulációs eredményekből származtatott axiális sebesség lefutásának bemutatása, amely az 51. ábrán látható. Érdemes megemlíteni, hogy a mérési sorozatunk során függőleges irányban pozícionáltuk a vizsgálat alá kerülő égőnket, így lefelé irányuló porlasztást vizsgáltunk. Ennek ellenére a szimulációs paraméterek 52


2015

beállításánál a gravitációs erőtér hatásától eltekintettünk az egyszerűség érdekében, azonban a későbbi finomítások során érdemes figyelembe venni a mérési körülményekhez való tökéletesebb csatolás érdekében. 90 80


70 60 50 40 30 20 10 y = -5E+06x3 + 311724x2 - 5659,2x + 65,627

0 0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

Fúvókától mért távolság [m] 51. ábra: A fúvóka tengelyén bekövetkező axiális sebességváltozások (0.3 bar)

Az 51. ábrán látható eredmények szubszonikus áramlási viszonyok mellett kerültek kiértékelésre, ahol a sebességek jelentős mértékű ingadozása figyelhető meg. A jelenség kiküszöbölésének érdekében harmadfokú polinomot illesztettünk a mérési eredményeinkre a szemléletesség érdekében. Megfigyelhető, hogy a porlasztó fúvóka közvetlen közelében a sebességek nagyobb értéket produkálnak, mint a későbbi régiók esetében, – ahol a sebességek állandósulása diagnosztizálható – amely egyébként el is várható e körülmények között. Ezen nézőpont szerinti kiértékelés a maximális porlasztónyomás alkalmazása mellett is kiértékelésre került, melynek eredményeit az 52. ábra tartalmazza. Az itt bemutatott eredmények során hasonló ingadozást tapasztaltunk, mint az 51. ábrán bemutatott szubszonikus eset vizsgálata során. Így, ebben az esetben is hasonlóan harmadfokú

polinommal

közelítettük

az

axiális

sebességek

változását

a

szemléletesség érdekében. A sebességlefutás bemutatásának esetében főként a közvetlen kilépésre fókuszáltunk, mivel a mérési eredményekből fakadóan is, ez számít

a

problémásabb

régiónak,

így

eltekintettünk. 53

a

későbbi

szakaszok

vizsgálatától


2015

250


200

150

100

50 y = 4E+07x3 - 2E+06x2 + 23171x + 69,922 0 0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

Fúvókától mért távolság [m] 52. ábra: A fúvóka tengelyén bekövetkező axiális sebességváltozások (3.1 bar)

A szimulációs eredmények alapján a porlasztó fúvóka közvetlen közelében kisebb sebességeket tapasztalhatunk, mint az attól távolabbi régiókban, amely a trendek alapján teljes mértékben egyezést mutat a mérési eredményekkel. Azonban a későbbi régiókban a mérési sorozatunk esetében a távolabbi profilok már jelentősebb mértékű sebességcsökkenést mutattak, ellentétben a szimulációval, ahol a sebesség lefutása csak sokkal lassabb ütemben valósult meg. A fenti eredmények alapján lehetőségünk volt kritikai összefoglalást készíteni a valós

mérési

és

szimulációs

eredmények

összehasonlításából

fakadó

megállapításaink alapján. A következőekben bemutatott értékelések iránymutatást adhatnak a szimulációs eredmények későbbi finomítására vonatkozóan, mivel belátható, hogy az alapbeállítások alkalmazása mellett kapott eredmények több nézőpont szerinti vizsgálata is eltérést produkál a valós mérési eredményekhez képest. A szimuláció kritikai értékelésénél a következő megállapításokat tehetjük: 1) A valós mérés során tapasztaltakkal ellentétben, a permet nem terjed szét kellő mértékben az áramlási térben. (-) 2) Az egyes profilokban vizsgált axiális sebességek esetében jelentős mértékű ingadozás figyelhető meg. (-) 54


2015

3) Az egyes profilokban vizsgált SMD tekintetében is tapasztalható az értékek ingadozása, azonban ez részben magyarázható a folyamatosan fennálló cseppek sztochasztikus jelleggel történő ütközési mechanizmusával. (±) 4) A permet magjában, az egyes esetekben jelenlévő axiális sebességminimumok ellentétes jelenségként realizálhatóak a valós mérésekhez képest. (-) 5) A szubszonikus áramlási viszonyok mellett, az axiális sebességekre vonatkozó szimulációs

eredmények

esetén

alkalmazott

intervallumok

megfelelő

mértékben lefedik és közelítik a valós mérési eredményeinket. (+) 6) A szubszonikus áramlási viszonyok mellett kialakuló SMD értékváltozás jellege egyezést mutat a valós mérési eredményekkel. (+) 7) A szuperszonikus áramlási viszonyok mellett kialakuló SMD értékváltózás jellege eltérést produkál a valós mérési eredményekkel összevetve (-) 8) A szuperszonikus áramlási viszonyok mellett jelentős mértékű minőségromlás tapasztalható a kiértékelt eredmények axiális sebességére és SMD értékére vonatkozó összehasonlításokra vonatkozóan. (-) 9) A fúvóka tengelyén történő vizsgálat esetében is jelentős mértékű axiális sebességingadozásokat

diagnosztizálhattunk,

melynek

szemléltetése

érdekében polinommal való közelítés vált szükségessé. (-) 10) A fúvóka tengelyén történő elemzések során alkalmazott trendvonal szubszonikus és szuperszonikus áramlási viszonyok esetében is megfelelő minőségben közelíti a valóságot. (+)

55


2015

5. Az eredmények összefoglalása, értékelése A dolgozat célját a gázturbinás egységekben előszeretettel alkalmazott levegő segédközeges porlasztó üzemi és azon túli porlasztási viszonyainak széleskörű vizsgálata adta. Ehhez mérés és szimuláció is készült annak érdekében, hogy két módszertan szerint is kiértékelésre kerülhessenek a porlasztási mechanizmusok. A méréseket Fázis Doppler Anemométer (PDA) alkalmazásával végeztük el, amely elősegítette a cseppekre jellemző axiális sebességek és SMD értékek magas szintű, valós idejű mérését. Ennek ellenére a fúvóka közvetlen közelében nem tudtunk méréseket végezni, melynek okai közé tartozott a sűrű permet és a jelentősen megnövekedett axiális sebességek összessége. A mérésből fakadó eredmények alapján olyan következtetéseket tehettünk, amely elősegíti a diesel tüzelőanyag permetképződésének karakterisztikus jellemzését. A kiértékelések fő irányvonalát az axiális sebességekre és SMD változásokra vonatkozó megállapítások adták, melyeket négy

különböző

szubszonikus összehasonlítás

és

profil

alapján

vizsgáltunk.

szuperszonikus

és

a

jelentős

áramlási

mértékben

Az

eredmények

viszonyok

mellett

megváltozott

bemutatását végeztük

áramlási

az

viszonyok

szemléltetése végett. Az axiális sebességekre vonatkozó eredmények alapján megállapítható,

hogy

helyezkednek el a

a

maximumértékek

különböző

egységesen,

profilok vizsgálatának

a

permet

esetében,

magjában és értékei

szubszonikus esetben 20-70 m/s tartományban helyezkednek el, míg szuperszonikus esetben akár 150 m/s is előfordult a fúvókához közelebbi régióban. Az SMD értékek vizsgálatának

esetében

szubszonikus

esetben

10-20

μm

körüli

értékeket

tapasztaltunk, míg szuperszonikus esetben ezen értékek kétszeresei figyelhetőek meg a fúvókához közeli régióknál, amely összefüggésben van az ez esetben ellentétes tengely menti axiális sebességeloszlás karakterisztikájával. A numerikus szimulációt valós

paraméterekkel felruházott 2 dimenziós

porlasztógeometria alkalmazása mellett végeztük el. A kapott eredmények a mérés kiértékelési szisztémájához hasonló módon végeztük el, így lehetőségünk volt a mérés és a numerikus szimuláció összehasonlítására. Az ebből fakadó eredmények alapján olyan megállapításokat tehettünk az alapbeállításokkal elvégzett numerikus szimulációra, melyek kritikailag értékelik annak sikerességét. A megállapítások jelentős segítséget nyújtanak a modell finomításában, amelyet a későbbiekben tervezünk elvégezni. Emellett, érdemes további vizsgálatok végezni a PDA-val, – akár más típusú tüzelőanyag típusra vonatkozóan is – mivel jelentős segítséget biztosít az egyes folyékony tüzelőanyagok permetképződési mechanizmusainak feltérképezésében. 56


2015

6. Irodalomjegyzék [1]

A. Kallenberg, “Liquid Bio Fuels for Gas Turbines,” 2013.

[2]

A. Penninger, “Tüzeléstechnika,” 2009.

[3]

K. K. Gupta, a. Rehman, and R. M. Sarviya, “Bio-fuels for the gas turbine: A review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 14, no. 9, pp. 2946–2955, 2010.

[4]

V. Józsa and K. Dr. Sztankó, “Capstone C-30 levegő segédközeges porlasztójának numerikus áramlástani szimulációja,” vol. 55, no. 1, pp. 5–7, 2014.

[5]

K. Sztankó and A. Kun-Balog, “Megújuló folyékony tüzelőanyag hasznosítása mikrogázturbinában,” Magy. Energ., vol. XIX, no. 2, pp. 30–32, 2012.

[6]

J. Jedelsky, “Appendix I : Integral Sauter Mean Diameter,” no. m, pp. 1–6.

[7]

S. Nakamura, V. McDonell, and S. Samuelsen, “The Effect of Liquid-Fuel Preparation on Gas Turbine Emissions,” J. Eng. Gas Turbines Power, vol. 130, no. 2, p. 021506, 2008.

[8]

V. Józsa and K. Sztankó, “Reduction of pollutant emissions from a micro gas turbine burner Budapest University of Technology and Economics Department of Energy Engineering.”

[9]

C. Dumouchel, “On the experimental investigation on primary atomization of liquid streams,” Exp. Fluids, vol. 45, no. 3, pp. 371–422, 2008.

[10]

A. Kourmatzis, P. X. Pham, and A. R. Masri, “Air assisted atomization and spray density characterization of ethanol and a range of biodiesels,” Fuel, vol. 108, pp. 758–770, 2013.

[11]

V. Józsa, “NUMERICAL INVESTIGATION OF A PLAIN JET AIR BLAST ATOMISER,” 16th Int. Conf. Fluid Flow Technol., 2015.

[12]

A. H. Lefebvre and D. Miller, “The Development of an Air Blast Atomizer for Gas Turbine Application,” no. 193, 1966.

[13]

Arthur H. Lefebvre, Atomization and sprays. 1976.

[14]

A. Urbán, “Porlasztott dízelolaj párolgásának vizsgálata gázturbinás környezetben,” 2014.

[15]

Dennis J. O’rear, “Low melting point triglycerides for use in fuels,” WO 2010075222 A2, 2010. .

[16]

M. Dr. Moser and K. Dr. Keszthelyi, Műszaki kémiai gyakorlatok. Budapest: Tankönyvkiadó Vállalat, 1977.

[17]

Dantec Dynamics, “Integrated solutions in Particle Dynamics Analysis Integrated PDA solutions.”

57


2015

7. Ábrajegyzék 1. ábra: Kalibrációs görbék összehasonlítása a két mérési esetben ................................................................................. 4 2. ábra: Az alkalmazott égő sematikus rajza keverőcsatorna jelenlétében [7], [8]........................................................ 5 3. ábra: Koncentrikusságvizsgálat összehasonlítása az A és B jelű porlaszók esetében ............................................. 6 4. ábra: A tipikus felosztási szisztéma szerint alkalmazott stabilitási görbe [9] ........................................................... 8 5. ábra: A kilépés közvetlen közelében detektált porlasztási momentumok [10] ........................................................ 9 6. ábra: Capstone C-30 esetén alkalmazott levegő segédközeges porlasztó ................................................................ 10 7. ábra: A vizsgálatok során alkalmazott (A) porlasztó oldalnézete ............................................................................. 11 8. ábra: A vizsgálatok során alkalmazott (A) porlasztó előlnézete ............................................................................... 11 9. ábra: Az elméleti ismeretek alapján várható SMD változás a porlasztónyomás függvényében [12] ................. 12 10. ábra: A viszkoziméter sematikus rajza ......................................................................................................................... 14 11. ábra: Az alkalmazott tüzelőanyag viszkoziméterrel történő mérése ..................................................................... 14 12. ábra: A kialakított mérőkör sematikus rajza ............................................................................................................... 16 13. ábra: Fényszórás általános jelensége gömbszimmetrikus felületen [16] ................................................................ 18 14. ábra: A Fázis Doppler Anemométer általánosított, sematikus rajza ...................................................................... 19 15. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló axiális sebességeloszlások (Z=10 mm) ........................ 22 16. ábra: A kialakuló permetképek 1.1 és 2.6 bar porlasztónymás esetében ............................................................... 23 17. ábra: A kialakuló permetképek 0.5 és 0.9 bar porlasztónyomás esetében ............................................................. 23 18. ábra: A mérési tartomány három jellegzetes permetképének bemutatása ............................................................ 24 19. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló axiális sebességeloszlások (Z=50 mm) ........................ 24 20. ábra: Axiális profilok vizsgálata az axiális sebesség változásának ......................................................................... 25 21. ábra: Axiális profilok vizsgálata az axiális sebesség változásának ......................................................................... 26 22. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=10 mm)................................................ 27 23. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=15 mm)................................................ 28 24. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=26.7 mm) ............................................ 28 25. ábra: A vizsgált porlasztónyomások mellett kialakuló SMD értékek (Z=50 mm)................................................ 29 26. ábra: Axiális profilok vizsgálata SMD változás szempontjából .............................................................................. 30 27. ábra: Axiális profilok vizsgálata SMD változás szempontjából .............................................................................. 30 28. ábra: A validációs ráták alakulása különböző profilok mentén, ............................................................................. 31 29. ábra: A validációs ráták alakulása különböző porlasztónyomások mellett (Z=15 mm) ..................................... 32 30. ábra: Átlagolt mintavételezés száma különböző porlasztónyomások esetén (Z=10 mm) .................................. 33 31. ábra: Átlagolt adat ráta változása a különböző porlasztónyomások mellett (Z=10 mm) ................................... 33 32. ábra: Átlagolt mintavételezések száma az egyes axiális profilokban ..................................................................... 34 33. ábra: A permetben profiljaiban kialakuló sugárirányú változások szemléltetése [6].......................................... 35 34. ábra: A mérési eredményekből származtatott integrált Sauter középátmérő változása..................................... 36 35. ábra: Az integrált Sauter középátmérő változása az összehasonlító mérés alapján ............................................ 37 36. ábra: Az egyszerűsített porlasztógeometria és áramlási tér modellje .................................................................... 39 37. ábra: Axiális sebességek alakulása a különböző finomságú hálók esetében......................................................... 40 38. ábra: A statikus nyomások alakulása a különböző finomságú hálók esetében .................................................... 41 39. ábra: A statikus hőmérséklet alakulása a különböző finomságú hálók esetében ................................................ 41 40. ábra: Axiális sebességek alakulása a különböző finomságú hálók esetében......................................................... 42 41. ábra: Turbulens kinetikus energia alakulása a különböző finomságú hálók esetében ....................................... 43 42. ábra: A statikus hőmérséklet alakulása a különböző finomságú hálók esetében ................................................ 43 43. ábra: Az axiális sebességsekből (m/s) kialakuló sebességmező ábrázolása (0.3 bar) ........................................... 46 44. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott axiális sebességek alakulása (0.3 bar) .................................... 47 45. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott axiális sebességek alakulása (3.1 bar) .................................... 48 46. ábra: Az axiális sebességsekből (m/s) kialakuló sebességmező ábrázolása (3.1 bar) ........................................... 49 47. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (0.3 bar) ............................................. 50 48. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (0.3 bar) ............................................. 51 49. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (3.1 bar) ............................................. 51 50. ábra: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (3.1 bar) ............................................. 52 51. ábra: A fúvóka tengelyén bekövetkező axiális sebességváltozások (0.3 bar) ........................................................ 53 52. ábra: A fúvóka tengelyén bekövetkező axiális sebességváltozások (3.1 bar)........................................................ 54

58


2015

8. Táblázatok jegyzéke 1. táblázat: A releváns tüzelőanyagok fizikai tulajdonságainak összefoglalása [14] ................................................ 13 2. táblázat: Az alkalmazott tüzelőanyag fizikai paramétereire vonatkozó mérések eredményei .......................... 15 3. táblázat: A mérés során felhasznált mérő- és segédberendezések összefoglalása ................................................ 17 4. táblázat: A vizsgálat alá kerülő profilok mintavételezési pontjai ............................................................................ 20 5. táblázat: Az elemzés alá kerülő porlasztónyomások ................................................................................................. 21 6. táblázat: A 4. egyenletben szereplő paraméterek értelmezése ................................................................................. 35 7. táblázat: Az integrált Sauter középátmérőre kapott eredmények összefoglalása ................................................ 36 8. táblázat: A vizsgálati esetekben megvalósuló cellaszámok értékei ......................................................................... 40 9. táblázat: A levegő segédközeges porlasztó szimulációs modelljére alkalmazott paraméterek ......................... 44 10. táblázat: A folyékony tüzelőanyag beállított paraméterei ...................................................................................... 44 11. táblázat: A modellben alkalmazott fő beállítások összefoglalása .......................................................................... 45 12. táblázat: A mérésből és szimulációból fakadó axiális sebességek összehasonlítása (0.3 bar) .......................... 48 13. táblázat: A mérésből és szimulációból fakadó axiális sebességek összehasonlítása (3.1 bar) .......................... 49 14. táblázat: A mérésből és szimulációból fakadó SMD értékek összehasonlítása (0.3 bar) ................................... 50 15. táblázat: A szimulációs eredmények alapján kapott SMD értékek alakulása (3.1 bar) ...................................... 52

59

Tudásunk egy csepp. Amit nem tudunk, az egy egész Óceán

Recommend Documents