Vlam actuatie doormiddel van extra gas injectie

Vlam actuatie doormiddel van extra gas injectie

B.G.M .van Heijst DCT 2006.080

DCT report Technische Universiteit Eindhoven Department Mechanical Engineering Dynamics and Control Technology Group Eindhoven, June, 2006

Inhoudsopgave Hfdst.

Omschrijving

Pagina

1

Inleiding

2

2 2.1 2.2

Thermo-akoestiek Oscillaties veroorzaakt door warmte Oscillaties veroorzaakt door geluid

3 3 4

3 3.1 3.2 3.3 3.4

Actuator keuze Verschillende soorten kleppen Mogelijke toepassingen van verschillende soorten kleppen Ontwerpeisen Conclusie

5 5 6 9 10

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Gasinjector Werking Technische Specificaties Aansturing Aansluitingen Doorstroom karakteristieken

11 11 11 11 12 12

5 5.1 5.2 5.3

Opstelling aangepaste Rijke buis Gastoevoer naar het branderdek Branderdek/koeling Camera

15 15 15 16

6 6.1 6.2

Analyse meetgegevens Algemene metingen Specifieke metingen

18 18 21

7

Conclusie

24

Literatuurlijst Bijlage

1 2 3 4 5 6 7 8

25 Symbolenlijst Onderzoekers van Thermo-akoestieke oscillaties Oscillaties veroorzaakt door geluid Brandstofinjector Econosto Metingen Specificaties LPG/CNG injector Meetgegevens

26 27 28 29 32 33 35 38

2

Hoofdstuk 1: Inleiding Boilers en verwarmingsapparatuur worden in verscheidene situaties toegepast. Onder andere voor het verwarmen van een huis. Een boiler voor het opwarmen van water. De toepassing van deze apparatuur geschiedt daarmee ook in verschillende systemen met verschillende werkgebieden. Hierbij vindt in de praktijk een modulatie verhouding van 1:5 plaats. Een modulatie verhouding van minimaal 1:10 is echter gewenst. Stille besturing/werking kan niet eenvoudig worden behouden voor alle verlangde werkende condities. De vlam in de cv-ketel kan namelijk onder bepaalde condities zorgen voor akoestieke instabiliteiten, de zogenaamde thermo-akoestieke instabiliteiten. Dit zal in de totale verwarmingsinstallatie, en dan voornamelijk de leidingen, zorgen voor storende geluiden. Een manier om deze omstandigheden te verbeteren is gevonden in een actieve regelaar waarbij de (thermo-) akoestieke instabiliteiten worden onderdrukt. Deze is al gevonden in het gebruik van een luidspreker, waarmee met antigeluid de storende geluiden worden uitgedempt. Deze geluiden kunnen ook gedempt worden doormiddel van een elektrisch veld. Daarnaast is er de mogelijkheid de vlam te regelen met verschillende lucht/brandstof verhoudingen en verschillende snelheden. De uiteindelijke opdracht luidt dan ook: Onderzoek of een vlam geactueerd kan worden doormiddel van extra lucht/brandstof toevoer. Dit alles wordt in de praktijk uitgevoerd in een aangepaste Rijke buis, welke dient als een versimpelde representatie van een cv-ketel. In hoofdstuk 2 zal het begrip thermo-akoestiek worden uitgelegd, waarna in hoofdstuk 3 verschillende actuatoren worden behandeld, welke gebruikt kunnen worden in de aangepaste Rijke buis. Hoofdstuk 4 zal worden toegewijd aan een beschrijving van de gebruikte gasinjector voor het actueren van de vlam. In hoofdstuk 5 zal de aangepaste Rijke buis worden beschreven. Uiteindelijk zal in hoofdstuk 6 een analyse van de uitgevoerde metingen worden behandeld. Het geheel zal worden afgesloten met een conclusie in hoofdstuk 7.

3

Hoofdstuk 2: Thermo-akoestiek Wanneer er wordt gekeken naar een CV-ketel dan kunnen zogenaamde thermoakoestieke oscillaties optreden. Dit verschijnsel komt ook voor bij verbrandingsinstallaties, naverbranders en turbines. Thermo-akoestiek is een onderwerp waarbij een wisselwerking optreedt tussen instabiele warmte afgifte, akoestische fluctuaties (fluctuaties in luchtdruk) en het snelheidsveld van het gas. Daarnaast kan deze wisselwerking beïnvloed worden door verschillende verhouding van het gasmengsel. De interactie van deze effecten in een gas dicht bij een vast oppervlak zorgt voor deze zogenaamde thermo-akoestieke oscillaties. Hierbij kan warmte worden onttrokken of worden toegevoerd aan het gas. Deze interactie zal er voor zorgen dat de geluidsgolven behouden blijven wanneer er een grote temperatuurgradiënt optreedt langs het oppervlak. 2.1 Oscillaties veroorzaakt door warmte Vervolgens kunnen de warmte aangedreven akoestische oscillaties ruwweg worden verdeeld in twee groepen, allereerst de convectie/geleiding aangedreven oscillaties en vervolgens de verbrandingsaangedreven oscillaties. Convectie/geleiding aangedreven oscillaties De Rijke buis is een klassiek voorbeeld waarmee thermo-akoestieke oscillaties verklaard kunnen worden (meer gegevens over onderzoekers die zich bezig hebben gehouden met thermo-akoestiek is te vinden in bijlage: ‘Onderzoekers van thermo-akoestieke oscillaties’). In deze buis wordt warmte afgegeven aan het gas door een verwarmd gaasje. Als dit gaasje op een kwart aan de onderkant van de buis wordt geplaatst, zal er een aanhoudende toon hoorbaar zijn. Dit fenomeen wordt uitgelegd aan de hand van een geheugen effect van de grenslagen in de stroming door het gaasje. Het Rayleigh criterium zegt dat er een bepaalde fasedraaiing tussen de druk en de Figuur 1: Rijke buis met lengte L. warmteafgifte bestaat, zodanig dat akoestische energie In deze buis zijn tevens de druk toegevoegd wordt aan het gas. Figuur 1 laat de bouw fluctuaties p’ en de snelheids van de Rijke buis zien en het profiel van de amplitude fluctuaties u’ te zien. van druk fluctuaties p’(x,t) en de snelheidsfluctuaties u’(x,t). Het verschil in fase in figuur 1 is exact 90 graden. Hierbij is de hoeveelheid warmte q’(x,t) toegevoerd naar het gas evenredig aan de snelheidsfluctuaties u’(x,t). Omdat het faseverschil exact 90 graden is zal de oscillatie versterkt noch gedempt worden. Ondanks dit faseverschil vertoont de Rijke buis van figuur 1 toch een productie van akoestische energie. De oorzaak hiervoor is dat de warmte afgifte de snelheid van het gas volgt met een zekere fase achterstand. Dit is te wijten aan het eerde genoemde geheugeneffect van de grenslagen. [1]

4

Verbrandingsaangedreven oscillaties Wanneer vervolgens gekeken wordt naar de tweede categorie, namelijk verbrandings aangedreven oscillaties, dan zien we dat er een zelfde verschijnsel optreedt als in de Rijke buis. Er is namelijk een vertraging in de respons van de warmte overdracht fluctuaties gegenereerd door de vlam op de snelheidsfluctuaties. De totale warmte overdracht in de brander gestabiliseerde vlammen is het verschil in warmte overdracht door de reacties die voorkomen in de vlam en de warmte die ‘verloren’ gaat in het branderdek. De vlam verbruikt massa op een snelheid die over het algemeen niet gelijk is aan de massa stroom snelheid. Deze massa verbrandingsratio is evenredig aan de temperatuur van de vlam. Zoals in de Rijke buis het probleem van temperatuur (enthalpie) fluctuaties en massa stroom zich met verschillende snelheden zal voortbewegen. In koude stromen zijn enthalpie fluctuaties afhankelijk van de gassnelheid welke minder is dan de voortplantingssnelheid van de massa stroom fluctuaties. Enthalpie fluctuaties treden op bij de brander wanneer de vlam beweegt. Deze fluctuaties bewegen zich naar de vlam toe en resulteren in temperatuur fluctuaties, welke vervolgens zorgen voor fluctuaties in de massa verbrandingsratio. De vertraging stelt ons in staat het Rayleigh criterium toe te passen op de verbrandingsaangedreven oscillaties en maakt het mogelijk te voorspellen of een vlam blijft oscilleren. [1]

Figuur 2: Rijke buis. Wanneer het verwarmde gaas op ¼ van de buis wordt geplaatst kunnen de akoestische oscillaties het beste opgemerkt worden.

2.2 Oscillaties veroorzaakt door geluid Het ontstaan van geluid door thermo-akoestiek is hierboven beschreven. Het omgekeerde kan echter ook voor komen, namelijk het genereren van een temperatuur gradiënt door het opleggen van akoestische oscillaties. Dit principe wordt uitgelegd in bijlage ‘Oscillaties veroorzaakt door geluid’.

5

Hoofdstuk 3: Actuator keuze Het doel van de opdracht luidt: onderzoek of een vlam in een cv-ketel geactueerd kan worden. De actuator die hiervoor gebruikt zal worden, moet uiteindelijk toegepast worden in een aangepaste Rijke buis. Deze aangepaste Rijke buis is een soort van versimpelde cv-opstelling (verdere uitleg over deze aangepaste Rijke buis is te vinden in hoofdstuk 5). Bij de keuze van een geschikte actuator voor toepassing in de aangepast Rijke buis komen verschillende selectie eisen naar voren. Eén van de zeer algemene selectie eisen is het kunnen aansturen/regelen van de lucht/brandstoftoevoer. Het beoogde doel is namelijk om de vlam te actueren door middel van extra lucht of brandstof (methaan), of door menging van alle twee de gassen. Hiervoor kunnen verschillende soorten kleppen gebruikt worden die allemaal hun eigen specifieke functie en werking hebben. Daarnaast zullen deze verschillende soorten kleppen op variërende manieren toegepast kunnen worden in de proefopstelling. Uiteindelijk zullen de verschillende soorten kleppen worden vergeleken aan de hand van ontwerpeisen. Aan het eind van dit hoofdstuk zal dan ook naar voren komen welke klep en toepassing uiteindelijk gebruikt zal worden in de proefopstelling. 3.1 Verschillende soorten kleppen Er zijn zeer veel verschillende soorten kleppen. Deze verschillen in grootte, toepasbare druk, materiaal en in type. Het zou onmogelijk zijn om al deze kleppen te analyseren. Daarom is er gekeken naar brandstoftoevoerregeling in bestaande situaties. Wanneer er wordt gekeken bij leveranciers zoals Econosto en Bronkhorst dan zien we dat naaldafsluiters uitermate geschikt zijn voor het nauwkeurig regelen van gassen en vloeistoffen en worden dan ook vaak toegepast in bestaande situaties. Daarnaast zijn er de zogenaamde klepafsluiters welke werken volgens het zelfde principe als een naaldafsluiter, en hiermee ook in beschouwing zullen worden genomen. Vervolgens zijn er de brandstofinjectors welke in het principe de zelfde werking hebben als een naaldventiel en klepafsluiter. Opbouw en werking van naaldventiel en brandstofinjector In figuur 3 is een opengewerkt naaldventiel te zien en daarnaast een schematische weergave. Met behulp van deze twee figuren zal verklaard worden hoe dit naaldventiel werkt. Allereerst hebben we het handvat waaraan een buis met schroefdraad is verbonden. Deze buis is geplaatst in het huis en zal, wanneer aan het handwiel wordt gedraaid een translerende beweging naar boven of naar beneden maken. Doormiddel van een pakking rond deze buis wordt voorkomen dat een vloeistof of gas weg kan lekken. Aan het eind van deze Handvat buis is een kegelvormige kop geplaatst. Voor deze vorm is gekozen zodat een perfecte afdichting realiseerbaar is Buis met wanneer het naaldventiel schroefdraad volledig gesloten wordt. De kegelvormige kop valt namelijk in een gat en zal door deze tapse Kegelvormige vorm strak in het gat komen te kop zitten. Door aan het handvat te draaien kan hiermee de kop Figuur 3: links een opengewerkt naaldventiel, rechts een schematische weergave hiervan (dimensies zie bijlage ‘Econosto’) 6

omhoog en omlaag bewogen worden en kan bij opening het medium door het naaldventiel stromen. Door de kop verder omhoog te bewegen zal er meer gas of vloeistof doorstromen. [2] De toepassing van brandstofinjectors ligt bij verbrandingsmotoren. Hierbij zorgt een injector voor inspuiting van de brandstof in de verbrandingskamer. De opbouw van de brandstofinjector is eigenlijk hetzelfde als die van een naaldventiel maar zal in de volgende alinea specifiek worden behandeld. De brandstofinjector bestaat uit het huis en het mechanisme. De magneetspoel en de elektrische aansluiting zijn in het huis geïntegreerd. Het mechanisme wordt gevormd door het verstuiverlichaam met een naald met daarboven een elektromagneet. Bij een stroomloze magneetspoel wordt de naald met behulp van een schroefveer door de systeemdruk op de zitting gedrukt. Als de spoel wordt bekrachtigd zal de naald van de zitting worden gelicht. De onder druk staande brandstof kan dan door de ringvormige opening naar buiten stromen. Aan het uiterste einde van de naald bevindt zich een tapverstuiver. Deze steekt uit het lichaam. De vorm is zodanig gekozen, dat de tapverstuiver voor een zeer goede verneveling van de brandstof zorgt. De maximale brandstofdoorlaat bij constant geopende brandstofinjector, de zogenaamde statische hoeveelheid, wordt bepaald door de grootte van de ringvormige opening tussen de tapverstuiver en het lichaam. Bovendien is de ‘dynamische hoeveelheid’, die intermitterend wordt ingespoten, afhankelijk van de kracht van de veer, de massa van de naald, het magnetische circuit en de eindtrap in de regeleenheid. Omdat de brandstofdruk die op de brandstofinjector werkt, constant is, is de daadwerkelijk door de brandstofinjector ingespoten brandstofhoeveelheid uitsluitend afhankelijk van de openingsduur van de brandstofinjector, zijnde de inspuittijd.[3] Elektromagneet Veer

Naald

Figuur 4: exploded view van een brandstofinjector

3.2 Mogelijke toepassingen van de verschillende soorten kleppen Naaldafsluiter (met draad) met tandwielen en stappenmotor In figuur 5 is een naaldafsluiter te zien met daarnaast de schematische weergave. Deze naaldafsluiter is geselecteerd uit het grote aanbod van verschillende soorten afsluiters van leverancier Econosto. Zoals al eerder is besproken zijn naaldafsluiters bijzonder geschikt voor nauwkeurige volume regeling van gassen en vloeistoffen en daarmee geschikt als actuator voor de extra lucht/brandstof toevoer in een vlam. Deze naaldafsluiter wordt normaal gesproken geopend en gesloten door aan het handwiel te draaien. Omdat de lucht/brandstof toevoer geregeld moet kunnen worden, is deze manier van bedienen niet geschikt. Het grote nadeel bij naaldafsluiters is dat de spindel in het huis is geplaatst met schroefdraad. Daarom moet er een oplossing gevonden worden waarbij een rotatie wordt uitgevoerd. Deze is gevonden in de aansturing met een set tandwielen en een stappenmotor, zie figuur 6. Hierbij zorgt de stappenmotor dat

7

tandwiel 1 gaat roteren (blauwe pijl) en deze rotatie wordt overgebracht op tandwiel 2 (blauwe pijl). Omdat tandwiel 1 kleiner is dan tandwiel 2 zal er een vertraging optreden. Vervolgens zal tandwiel 2 de spindel omhoog of omlaag bewegen, wat afhangt van welke kant de stappenmotor op draait (rode pijl). Bij dit alles komen punten aan de orde als positioneringnauwkeurigheid van de stappenmotor (aantal stappen per omwenteling), de overbrengingsverhouding van de set tandwielen en de pitch van de schroefdraad. Het grootste nadeel bij deze methode zijn het grote aantal overbrengingen, van de stappenmotor naar tandwiel 1, van tandwiel 1 naar tandwiel 2 en vervolgens van tandwiel 2 naar de spindel. Dit zal de nauwkeurigheid van de te regelen volumestroom niet te goede komen. Voor materiaalspecificaties, druk- en temperatuurbereik en afmetingen zie bijlage ‘Econosto’.

Handwiel Spindel

Huis

Figuur 5: Links een naaldafsluiter, rechts een schematische weergave

Tandwiel 2

Tandwiel1

Behuizing met binnendraad

Stappenmotor

Naaldafsluiter

Figuur 6 : Naaldventiel waarbij het handwiel is vervangen door een set van tandwielen, welke worden aangedreven door een stappenmotor

8

Klepafsluiter (met hefboom) met elektromagneet/luidspreker Een andere toepassingsmethode is gevonden in het gebruik van een handbediende klepafsluiter met hefboombediening, welke te zien is in figuur 7. Klepafsluiters werken volgens het zelfde principe als naaldafsluiters, alleen is het zo dat klepafsluiters groter gedimensioneerd zijn dan naaldafsluiters en daarmee minder geschikt voor het regelen van gas/vloeistof stromen (voor dimensionering zie bijlage ‘Econosto’). Het grote voordeel van deze afsluiter is dat de spindel zonder draad in het huis is geplaatst, en hiermee de hefboom alleen naar beneden gedrukt hoeft te worden om de klep te openen. Wanneer de hefboom niet meer in gedrukt wordt, zal een veer de spindel omhoog duwen en de klep sluiten. Om deze klepafsluiter elektronisch te kunnen regelen is er gebruik gemaakt van een luidspreker. De luidspreker werkt volgens het principe van een elektromagneet. Wanneer een elektrische stroom door de spoel loopt die in een constant magnetisch veld is opgehangen, dan zullen de windingen van de spoel een Lorentzkracht ondervinden. De spoel is hierbij verbonden aan de luidsprekerconus. In deze toepassingsmethode zal de conus verbonden worden met de spindel van de klepafsluiter en zal hiermee de op en neer gaande beweging van de conus volgen. Hiermee kan de klep geopend of gesloten worden. Hefboom

Luidspreker

Hefboom

Spindel

Zelfsluitende klepafsluiter

Veer

Figuur 7:

- links boven is een bronzen zelfsluitende klepafsluiter met hefboombediening te zien. - links onder is een schematische weergave te zien van de klepafsluiter, de blauwe pijl geeft aan dat de hefboomrond het scharnier punt roteert, de rode pijl geeft aan dat de roterende beweging wordt omgezet in een translerende beweging. - rechts is een luidspreker verbonden met de klepafsluiter te zien.

9

Brandstofinjector met originele elektromagneet of met luidspreker Een brandstofinjector werkt, zoals al eerder is uitgelegd, volgens hetzelfde principe als een naaldventiel. Hiermee zou het ook toepasbaar kunnen zijn in de aangepaste Rijke buis. Een groot voordeel is dat de brandstofinjector gemaakt is voor het inspuiten van een kleine, maar nauwkeurige hoeveelheid brandstof. Dit is exact wat nodig is voor de aangepaste Rijke buis, namelijk kleine hoeveelheden gas doorlaten met een hoge nauwkeurigheid. Een nadeel is dat er gas toegevoerd moet worden en geen brandstof, en daarmee is het gedrag van de brandstofinjector niet helemaal te voorspellen. Een andere toepassingsmethode kan gevonden worden door alleen het mechanische gedeelte (de naald en het huis waarin de naald zich bevindt) te gebruiken. De naald zal dan verbonden worden met een luidspreker, zodat het zelfde principe wordt toegepast zoals in figuur 7. Het voordeel hiervan is dat een sterkere elektromagneet (luidspreker) wordt gebruikt om de klep te openen, dat wat misschien een probleem zou kunnen worden bij een originele brandstofinjector. Het kan namelijk zo zijn dat de elektromagneet bij de toe te passen druk niet de naald op kan tillen. 3.3 Ontwerpeisen De uiteindelijke keuze van de klep en de manier waarop deze actuator wordt toegepast in de opstelling zal worden bepaald door verschillende ontwerpeisen. Deze verschillende ontwerpeisen zijn hieronder in tabel 1 weergegeven, waarbij deze gerangschikt zijn van belangrijk naar minder belangrijk. Ontwerpeis

Geschikt voor het toe te voeren medium1 Volumestromen aanpasbaar2 Snelle uitvoerende handeling3 Betrouwbaar en accuraat4 Lage kosten5 Toepasbaar voor een druk tussen 1 en 1.5 bar6 Geschikt voor een temperatuur rond kamertemperatuur7

Naaldafsluiter met tandwielen en stappenmotor

Klepafsluiter met elektromagneet/ luidspreker

+ + o +

+ o + o o +

Brandstofinjector met elektromagneet/ luidspreker + + + o o +

+

+

+

Tabel 1: Ontwerpeisen bij verschillende soorten kleppen en toepassingen

1. De gebruikte materialen in de verschillende soorten kleppen moeten bestand zijn tegen lucht/methaan (chemische weerstand). Wanneer de klep uiteindelijk toegepast wordt in de aangepast Rijke buis zal er lucht, methaan of allebei de gassen in verschillende verhoudingen worden geïnjecteerd. 2. De volumestromen moeten met behulp van de klep aangepast kunnen worden. Het is namelijk zo dat een boiler verschillende hoeveelheden warmteafgifte moet kunnen leveren voor verschillende toepassingsgebieden. Het gevolg is dat de vlam in een cv-ketel op verschillende manieren zal branden en daarmee binnen verschillende gebieden fluctuaties uit zal gaan voeren. Daarom moet onderzocht worden of de vlam via aanpasbare volumestromen en voornamelijk kleine volumestromen geactueerd kan worden.

10

3. De actuator moet snel aangestuurd/geregeld kunnen worden. Dit wil zeggen dat de tijd tussen het moment wanneer een ingangssignaal naar de actuator wordt gestuurd, tot het moment dat de gewenste positie van de klep wordt bereikt, zo kort mogelijk moet zijn. 4. De klep moet goed functioneren en het liefst een zo hoog mogelijke nauwkeurigheid hebben. 5. Het uiteindelijke ontwerp van extra lucht/brandstoftoevoer zal toegepast kunnen worden in het actief onderdrukken van storende geluiden in CV-ketels. Wanneer dit ontwerp in de praktijk toegepast zal worden moet rekening worden gehouden met de economische haalbaarheid van het ontwerp. 6. Het gas dat geïnjecteerd wordt zal met een druk tussen de 1 en 1.5 bar worden geïnjecteerd in de aangepaste Rijke buis. 7. Klep toepasbaar voor een temperatuur rond de 25 0C.

3.4 Conclusie Voor en nadelen moeten tegen elkaar afgewogen worden wanneer we kijken naar de verschillende kleppen en de verschillende toepassingsmethodes. In tabel 1 zijn al deze gegevens verwerkt en kan snel de uiteindelijke conclusie worden getrokken. Wanneer er namelijk een vergelijking wordt gemaakt tussen naaldafsluiters en klepafsluiters dan zijn naaldafsluiters het beste toepasbaar in de aangepaste Rijke buis. Naaldafsluiters zijn speciaal geschikt voor het nauwkeurig regelen van kleine hoeveelheden gas stromingen. Klepafsluiters daarentegen zijn groter gedimensioneerd en daarmee beter geschikt voor grote volumestromen. Hiermee valt de toepassing van klepafsluiter met luidspreker af. Het grote nadeel van het naaldventiel met stappenmotor is de onnauwkeurigheid tengevolge van de verschillende overbrengingen. Hiermee zal er gekozen worden voor een brandstofinjector, waarbij kleine hoeveelheden gas met een goede nauwkeurigheid ingespoten kunnen worden. Vanwege de onzekerheid betreft de sterkte van de elektromagneet zal een luidspreker beschikbaar zijn mocht de originele brandstofinjector niet goed werken.

11

Hoofdstuk 4: Gasinjector De uiteindelijke keuze van een brandstofinjector zal niet worden toegepast omdat er geen aanstuureenheid (injector driver) beschikbaar is. Voor meer toelichtingen over de initieel gebruikte brandstofinjector zie bijlage: ‘Brandstofinjector’. In de opstelling wordt nu een LPG/CNG injector gebruikt, die ook wordt toegepast in een Peugot 406. Deze injector komt van de firma KEIHIN Corporation en is speciaal ontworpen voor LPG en CNG (vapour sequential injection). Deze injector zorgt voor een nauwkeurige volumestroom van het door te stromen medium. Deze nauwkeurigheid is mede bepaald door een exclusieve rubberen afdichtring en een met teflon bedekte binnenwand welke wordt gebruikt voor een lange levensduur bij ‘droge’ gas injectie. 4.1 Werking De werking van een gasinjector is gelijk aan die van een brandstofinjector (zie paragraaf 3.1). Het is echter wel zo dat de brandstofinjector is gespecificeerd voor diesel of voor benzine, terwijl de gasinjector, logischer wijze is gespecificeerd voor gas. 4.2 Technische specificaties Wanneer gekeken wordt naar verschillende type brandstofinjectoren dan zijn er twee soorten te onderscheiden, namelijk spanningsaangestuurde en stroomaangestuurde injectoren. In de opstelling is een stroomaangestuurde injector gebruikt. De klep van deze injector opent bij een stroom van 4 A en wordt gesloten door een stroom van 1.5 A. Wanneer de injector vanuit niet werkende bedrijfstoestand geactiveerd wordt, zal eenmalig een stroom van 8 A op de injector moeten worden gezet. Deze piek stroom heeft als functie om de drempelwaarde van de inwendige wrijvingskrachten te overwinnen. Vervolgens heeft de injector een voedingsspanning nodig van 12 V om te kunnen functioneren, welke geleverd wordt door een DC power supply. Voor meer technische specificaties zie bijlage ‘Specificaties LPG/CNG injector’. 4.3 Aansturing De injector kan alleen volledig geopend of gesloten worden. En kan dus niet voor een gedeelte open worden gezet. Hierdoor ligt de manier van aansturen vast: aansturing door het uitsturen van pulsen. De openingsduur van de injector wordt bepaald door de frequentie waarmee de pulsen worden uitgestuurd en de breedte van de pulsen (% van de pulsperiode). Omdat de gasdruk voor de injector constant is, is de daadwerkelijk door de injector ingespoten hoeveelheid gas uitsluitend afhankelijk van de openingsduur van de injector. Met behulp van een laptop en een TUeDACS kunnen deze pulsen worden uitgestuurd. De software hiervoor zijn: Linux (Knoppix) en Matlab (Simulink). Voor het Simulink model is een ‘standaard’ model binnen Matlab gebruikt om de TUeDACS aan te sturen (het bestand: tdblocklib). In dit Simulink model is een pulsgenerator aangesloten op de DAC uitpoort. Met behulp van de pulsgenerator kunnen amplitudegrootte, periode en pulsbreedte naar behoeven worden ingesteld. Wanneer deze zijn ingesteld moet, om een experiment uit te kunnen voeren, het Simulink model eerst worden gecompileerd met behulp van de Real-Time Workshop (RTW) om er een Real-Time Application (RTA) van te maken. Vervolgens wordt met behulp van Wintarget de RTA aan de TUeDACS gekoppeld. De TUeDACS kan een maximale spanning (amplitudegrootte) van 2.5 V uitsturen. Deze spanning is net groot genoeg om de injector aan te kunnen sturen. Er moet namelijk een minimale spanning op staan van 2.4 V. Deze TUeDACS is op zijn beurt weer verbonden met de injector driver. Deze injector driver verwerkt de door de

12

TUeDACS uitgestuurde aanstuurspanningen en de benodigde voedingsspanning. Vervolgens zal deze de juiste stroomsterktes bepalen om de klep op de ingestelde manier te openen en te sluiten. Een overzicht van de schakelingen tussen laptop, TUeDACS, injector driver en gasinjector wordt gegeven in figuur 9. 4.4 Aansluitingen De aansluitmethodes van verschillende apparatuur, welke betrokken zijn bij de gasinjector, zullen in deze alinea worden behandeld. Hierbij zal achtereenvolgens worden behandeld: aansluiting van kogelkraan op perslucht, manometer, rubberen slang, aluminium blok, gasinjector, siliconen slang, PTFE slang. Allereerst is de kogelkraan (zie figuur 8) aangesloten op perslucht, dit is namelijk het gas welke zal worden geïnjecteerd. Met behulp van de kogelkraan kan de gastoevoer geopend of gesloten worden. De kogelkraan is vervolgens gekoppeld aan een manometer (zie figuur 8). De manometer kan ingesteld worden op een druk tussen 100 kPa (1 bar) en 600 kPa (6 bar). Echter de druk aangeboden aan de gasinjector mag niet hoger zijn dan 392 kPa (zie bijlage ‘Specificaties LPG/CNG injector’). De manometer is met een rubberen slang (zie figuur 8) verbonden met een buis op het aluminium blokje (zie figuur 8). Hierbij is de slang aan allebei de uiteindes vastgeklemd met behulp van slangklemmen. De gasinjector (zie figuur 8) is vervolgens met een rubberen afdichtring in het aluminium blok gestoken. Waar het gas de injector verlaat is een siliconen slang (zie figuur 8) over de injector geschoven. Een houten plank (zie figuur 8) met opening is over deze siliconen slang geschoven. Deze houten plank (zie figuur 8) verbonden met twee ijzerdraden aan het aluminium blok, zorgt er voor dat de gasinjector niet uit het aluminium blok schiet, en dat de siliconen slang niet van de gasinjector los raakt. Vervolgens is de siliconen slang over een klemkoppeling geschoven en extra vastgezet met een slangklem. In de klemkoppeling is een PTFE slang (zie figuur 8) met een inwendige diameter van 3 mm geplaatst. Een inwendige diameter van 3 mm is geschikt omdat de injectie van lucht op één punt onderzocht wordt. Het branderdek van de oppervlaktebrander heeft namelijk een grote van 50 mm met openingen van 1 mm, en hiermee is de slangdiameter van 3 mm een goede keuze om injectie op één punt te onderzoeken. Een andere reden dat dit type slang uitermate geschikt maakt, is het feit dat deze slang temperaturen kan hebben tussen de -70 0C en +260 0C (zie bijlage ‘Econosto’) en daarmee geschikt is voor de ingestelde temperatuur van het branderdek, namelijk 50 0C (over deze ingestelde temperatuur zal nader uitleg worden gegeven in paragraaf 5.2). Vervolgens is deze slang door een bout met inwendig gat in de buis van de versimpelde cv-ketel gestoken. Hierbij is ijzerdraad om de slang gewikkeld om de slang in een gewenste positie te buigen. Uiteindelijk wordt het uiteinde van de slang net onder het branderdek geplaatst en in het midden gehouden door drie ijzerdraden (zie figuur 8). 4.5 Doorstroom karakteristieken Om de doorstroom karakteristieken van de gasinjector te kunnen bepalen zou gebruik gemaakt moeten worden van een flow sensor. De sensor waarvan initieel gebruik is gemaakt, is de CFA 100A/B van Yamatake-Honeywell. Helaas heeft deze sensor het voortijdig begeven en zijn er voor verschillende werkcondities ook geen doorstroom gegevens beschikbaar. Voor één werkconditie is de doorstroom karakteristiek echter wel bekend (bekend uit de gasinjectorliteratuur), namelijk voor een gasdruk van 255 kPa. Deze is te vinden in bijlage ‘Specificatie LPG/CNG injector’

13

Kogelkraan en manometer waarmee de druk van het gas naar de gasinjector te regelen is

Injector driver

Kogelkraan

Rubber slang met slangklem Manometer Aluminium blok

Gasinjector

Gasinjector, waarbij gas van boven naar beneden stroomt

Houten plank Siliconen slang PTFE slang Het uiteinde van de PTFE slang wordt op zijn plaats gehouden net onder het branderdek door drie ijzerdraden, deze draden zijn met witte pijlen aangegeven

Figuur 8: Aansluitingen van de gasinjector

14

15

Injector driver

Figuur 9: Gehele opstelling

DC power supply 12 V

DAC

ADC

TUeDACS

Hoofdaanvoerleiding methaan/lucht

Aanvoerleiding gasinjectie

Hoofdstuk 5: Opstelling aangepaste Rijke buis C.V. ketels zijn complexe apparaten, daarom wordt een gemodificeerde Rijke buis gebruikt om testen mee te doen, zie figuur 10. In de buis wordt een mengsel van lucht en methaan toegevoerd en dit mengsel kan tot ontbranding worden gebracht door een vlam bij het branderdek te houden. Wanneer nog zo’n soort buis bovenop het branderdek wordt geplaatst kunnen zich thermo-akoestieke instabiliteiten voordoen, met geluidproductie als mogelijk gevolg. Deze geluid productie kan ook voorkomen in het onderste gedeelte van de buis (onder het branderdek). De lengte van de buis is echter zodanig gekozen dat dit in deze opstelling niet gebeurd. De productie van geluid hangt namelijk af van de lengte van de buis en van de golflengte van het geluid. Thermoakoestieke oscillaties komen ook voor in een C.V.-ketel en met behulp van de aangepaste Rijke buis kunnen deze verschijnselen worden onderzocht. De extra buis bovenop het branderdek representeert het leidingennet van een C.V installatie. De in dit onderzoek gebruikte opstelling is niet verlengd omdat alleen onderzocht is of een vlam in een C.V-installatie geactueerd kan worden. 5.1 Gastoevoer naar het branderdek De hoofdaanvoer naar de buis toe, zoals deze te zien is in figuur 10 , bestaat uit een mengsel van methaan en lucht. De zogenaamde equivalentieverhouding φ van dit brandbare mengsel wordt gedefinieerd als de brandstof-zuurstof (massa)verhouding van het mengsel, gedeeld door de stoichiometrische (massa)verhouding. Deze equivalentieverhouding φ wordt geregeld door de mass flow controllers (MFC 36 en MFC 9) die op het mengbord zijn geplaatst. Deze equivalentieverhouding wordt bij de metingen een waarde gegeven tussen de 0.8 en 1.2. Bij een waarde van φ kleiner dan 1 heeft het mengsel minder brandstof dan bij een stoichiometrische verbranding en wordt het mengsel (brandstof-) arm genoemd. Bij deze waarde van φ zal dus na de reactie zuurstof overblijven. Wanneer φ een waarde heeft groter dan 1, dan heeft het mengsel minder zuurstof dan bij een stoichiometrische verbranding. MFC 36 (maximaal 40 l/min) voor lucht en MFC 9 (maximaal 4 l/min) voor methaan, zijn aangesloten op een zogenaamde Multilab. Dit is een kast die aangesloten is op een computer en deze MFC’s aanstuurt. Ingestelde gegevens zoals equivalentiefactor φ en doorstroomsnelheid van het gasmengsel kunnen hierbij worden ingesteld. Verdere informatie betreft instellingen tijdens het meten zullen gegeven worden in bijlage ‘Metingen’.

5.2 Branderdek/Koeling In deze aangepaste Rijke buis is bovenop de buis een messing schijf geplaatst die met bouten aan de buis is verbonden. In deze schijf kan het messing branderdek worden geplaatst. Een pakking tussen dit branderdek en de schijf zorgt er voor dat het gasmengsel, welke via de hoofdaanvoer wordt geleverd, niet weg kan lekken. Het branderdek heeft een diameter van 50 mm, welke even groot is als de inwendige diameter van de buis van de C.V opstelling. In dit branderdek zijn openingen aangebracht, welke 1 mm groot zijn (de diameter) en 1 mm uit elkaar zitten (gekeken vanuit de randen van de openingen). De openingen zijn zo klein en zitten zo dicht op elkaar zodat de stroming van het gasmengsel uit het branderdek snel homogeen wordt. Dit alles heeft als functie om een vlakke vlam dicht boven de brander te laten stabiliseren. Dit type brander wordt een oppervlaktebrander genoemd. De vlam wordt hierbij gekoeld door de brander totdat de uitstroomsnelheid uu van het onverbrande gasmengsel gelijk is aan de verbrandingssnelheid SL van de vlam. Wanneer deze twee

16

grootheden aan elkaar gelijk zijn dan stabiliseert de vlam. Bovenop het branderdek is een branderkoeler geplaatst. Ook de messing schijf waar het branderdek in is geplaatst heeft als functie om te koelen. Het is namelijk zo dat met metalen branders de hoge geleidingscoëfficiënt er voor zorgt dat de warmte afgifte van de vlam voornamelijk wordt opgenomen door de branderkoeler en het koelwater. De temperatuur van het koelwater bedraagt 50 0C en is geschikt voor een goede warmteafgifte van de vlam naar de branderkoeler (en het koelwater in de branderkoeler). De aansluiting van de koelslangen is goed te zien in figuur 10.

5.3 Camera 600 mm boven het branderdek is een camera geplaatst. Met behulp van het diafragma is alleen het branderdek, en daarmee de vlam, in beeld gebracht. De camera is een zogenaamde fotonmultiplier. Hiermee wordt licht van de vlam opgevangen op een uvfilter waarna het uv ‘vrije’ licht valt op een fotondiode. Deze diode stuurt een spanning uit welke afhankelijk is van de sterkte van het licht. De sterkte van het licht wordt bepaald door de hoeveelheid OH*-moleculen die bij de verbranding vrij komen. Deze OH*-moleculen zenden namelijk licht uit met een golflengte van 309 nm (deze golflengte ligt in het UV-bereik en daarom wordt het UV-licht weg gefilterd). Fluctuaties in OH*-moleculen geven een representatie van fluctuaties in de warmteafgifte (hierbij wordt uitgegaan van een 1 op 1 relatie). Op deze manier valt te bepalen of de onderzoeksvraag mogelijk is: valt een vlam te actueren met behulp van extra gas injectie. De camera is bij de metingen aangesloten op een voeding van 500 V. Bij de algemene, oriënterende metingen is de voeding echter ingesteld op 700 V omdat hiermee de nauwkeurigheid van de metingen wordt verhoogd. Hiermee wordt de uitgangsspanning van de camera echter ook hoger en is deze spanning bij grote warmteafgifte niet meer te meten. Dit vanwege het beperkte bereik van de TUeDACS (namelijk tussen -2.5 V en 2.5 V). De spanningen die door de camera worden uitgestuurd worden echter eerst naar een oscilloscoop geleidt om een duidelijke weergave van de meting te krijgen tijdens het meten zelf. Vervolgens is deze oscilloscoop aangesloten op een TUeDACS. Dit alles is weergegeven in figuur 9.

17

Camera met fotondiode Gehele opstelling van de aangepaste Rijke buis, met camera en mengbord

Aangepaste Rijke buis

Brander koeler

Branderdek Aanvoerleiding van gasinjector net onder het branderdek Figuur 10: Overzicht van de aangepaste Rijke buis, camera en mengbord

18

Hoofdstuk 6: Analyse meetgegevens Twee soorten metingen zijn uitgevoerd, namelijk algemene metingen die als een soort oriëntatie dienen en specifieke metingen. Bij al deze metingen is alleen de frequentie waarmee de pulsen worden uitgestuurd en de equivalentiefactor φ veranderd. Bij de algemene metingen is er gemeten tussen een frequentie van 0.1 Hz (periode van 10 s.) en een frequentie van 250 Hz (periode van 0.004 s). Dit met als doel om een groot gebied te kunnen onderzoeken. De specifieke metingen zijn uitgevoerd tussen een frequentie van 40 Hz (periode 0.025 s.) en 250 Hz (periode 0.004 s.). Dit specifieke meetgebied is zo gekozen omdat vlamfluctuaties beginnen rond een frequentie van 40 Hz en omdat de gasinjector maximaal een frequentie kan uitvoeren van 250 Hz. Bij zowel de algemene metingen als de specifieke metingen is het frequentie gebied onderzocht voor drie equivalentiefactoren, namelijk φ = 0.8, φ = 1.0 en φ = 1.2. De toevoer druk van het ingespoten gas is bij alle metingen constant gehouden, namelijk een waarde van 120 kPa (1.2 bar). De doorstroomsnelheid van de hoofdaanvoer van het methaan/lucht mengsel is ook bij alle metingen op een snelheid van 15 cm/s ingesteld. Voor een totaal overzicht van alle metingen, zowel algemene als specifieke metingen, zie bijlage ‘Meetgegevens’. In dit hoofdstuk zal alleen naar metingen worden gekeken die een antwoord kunnen geven op de vraag: valt een vlam te actueren. Tevens zullen opmerkelijke metingen in dit hoofdstuk worden opgenomen.

6.1 Algemene metingen Equivalentiefactor φ = 0.8 De eerste metingen zijn uitgevoerd waarbij de hoofdaanvoer naar de aangepaste Rijke buis een equivalentiefactor heeft van φ = 0.8. Om alle metingen goed te kunnen analyseren is er een meting uitgevoerd waarbij het ingangssignaal nul is. De gemiddelde waarde ligt hierbij tussen de -0.09 V en -0.1 V (nulmetingen van equivalentiefactoren φ = 1.0 en φ = 1.2 zijn weergegeven in tabel 2). Wat bij deze nulmeting op valt te merken is het feit dat de waarde zakt in verloop van de tijd. De warmteafgifte zal dus volgens deze meting toenemen in verloop van de tijd terwijl de gasaanvoer constant is, dit is enigszins opmerkelijk. Maar valt mogelijk te verklaren door het niet uniform vlak zijn van de vlam. Het beoogde doel van een 1D oppervlaktebrander is namelijk om een egale vlam te krijgen. Bij de metingen vertoonde de vlam echter op sommige plaatsen op het branderdek cel-achtige structuren (2D-effect), welke mogelijk veroorzaakt worden door de ophanging van de PTFE-slang. Het verloop in de tijd komt door dit 2Deffect De eerste meting die uitgevoerd is, geeft een goede representatie van de daaropvolgende metingen. Aan de hand van deze meting zullen verschillende verschijnselen worden verklaard. De instellingen van het ingangssignaal zijn: Pulssignaal (wanneer de meting start wordt er meteen een puls uitgestuurd) Frequentie = 0.1 Hz (periode van 10 seconde) Puls breedte = 50% (alle metingen hebben een puls breedte van 50%) Versterkingsfactor 2.5 (deze is in het vervolg altijd 2.5, omdat dit de benodigde spanning is om de gasinjector te laten schakelen.)

19

Twee metingen zijn uitgevoerd bij de zelfde ingangssignalen. Hierbij zijn de metingen gefit per halve periode en vormen een rechte lijn (0e orde). Vervolgens zijn deze twee gefitte lijnen (wederom per halve periode) gemiddeld en vormen de gestippelde lijn. Waardes van de gestippelde lijn: -0.9893 -1.7031 -1.0150 -1.7324 -0.6 meting nr 1 meting nr 2 gemiddelde waardes gestippelde lijn gemiddelde van meting 1 en 2

-0.8

spanning (V)

-1

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

0

2

4

6

8

10 tijd (s)

12

14

16

18

20

Figuur 11: Metingen bij periodes van 10 s. en equivalentiefactor φ van 0.8

Analyse: Opmerkelijk is het verschijnsel dat wanneer de puls wegvalt de negatieve spanning groter wordt, terwijl een waarde gelijk aan de nulmeting (tussen -0.09 V en -0.1 V) zou mogen worden verwacht. Dit verschijnsel treedt echter op wanneer men te maken heeft met een 2D brander (Bunsenbrander). De vlam vertoont dus verschijnselen van een 2D brander. Dit kan mede worden verklaard door de cel vorming op het branderdek. Normaal gesproken moet bij een oppervlakte brander een egale vlam verschijnen, bij deze metingen ontstonden echter cellen en hiermee kan het 2D verschijnsel worden verklaard. Wanneer de puls begint en wanneer de puls weer eindigt, is er een overshoot te zien, deze zijn met pijlen aangegeven in figuur 11. Deze overshoot verschijnselen kunnen het beste toegeschreven worden aan de injector zelf. Het is waarschijnlijk zo dat wanneer de puls gestart wordt en wanneer deze gesloten wordt de gasdruk varieert en hiermee voor een overshoot verschijnsel zorgt. Wanneer de puls gestopt wordt, is de overshoot groter dan wanneer de puls gestart wordt. Dit kan verklaard worden aan de hand van de werking van de injector. Net voordat de puls gestart wordt is de druk voor de injector groter dan na de injector, hierdoor zal de injector zich moeilijker openen. Net voordat de puls gestopt wordt is de druk voor de injector even groot als na de injector, hierdoor zal de injector makkelijker openen en zal de doorstroming van de lucht nog sneller zijn. Hiermee is verklaart waarom de overshoot na sluiting van de puls groter is dan wanneer de puls gestart wordt. Om een goed overzicht te krijgen van de bij de metingen verkregen waardes is voor een periode van 10 s. (frequentie van 0.1 Hz) tot en met periode van 0.2 s. (frequentie van

20

10 Hz) de gemiddelde waardes in een grafiek geplaatst. In figuur 12 zijn twee lijnen te zien één voor wanneer er een puls wordt gegeven, de ander voor wanneer deze puls wordt uitgeschakeld. Zoals te zien is nemen allebei de lijnen vanaf een periode van 10 s. tot en met een periode van 2 s. licht toe, vervolgens nemen deze lijnen vanaf periode 1 tot met periode 0.2 bijna alleen maar af. De viscositeit van het stromende medium (lucht) zou verklarend kunnen zijn in dit verschijnsel. Vanaf periode 10 tot en met periode 2 zou de wrijving een nog niet zo’n grote rol kunnen spelen omdat het relatief lang duurt voordat een puls-on en een puls-off zich afwisselen. Vanaf een periode van 1 s. kan het zo zijn dat de wrijvingscoëfficiënt een steeds grotere rol gaat spelen omdat het gas na de injector dan steeds vaker ‘stopt’ en weer moet gaan ‘bewegen’. Gemiddelde waardes Periode 10 tot en met Periode 0.2

Pe r.0 .8 Pe r.0 .6 Pe r.0 .4 Pe r.0 .2

Pe r.1

Pe r.2

Pe r.4

Pe r.6

Pe r.8

Pe r.1 0

0

Spanning (V)

-0.5

-1 Puls off Puls on -1.5

-2

-2.5 Periode (s)

Figuur 12: Metingen bij periode van 10 s. tot en met periode van 0.2 s.

Vanaf een periode van 0.04 s. (frequentie van 25 Hz) begint de ‘blok structuur’ te verdwijnen en beginnen de curve steeds meer te lijken op sinusoïde. Ook vanaf deze periode beginnen de gevonden spanningen, zowel voor puls-on als voor een puls-off steeds lager te worden, dit is te zien in bijlage ‘Meetgegevens’. Wanneer de periodes kleiner worden dan 0.02 s. (frequentie van 50 Hz) is er geen duidelijk verloop meer te zien en is dus actuering met behulp van een gasinjector niet meer mogelijk. Equivalentiefactor φ = 1.0 Dezelfde metingen zoals hierboven zijn ook uitgevoerd voor een equivalentiefactor φ van 1.0. Voor een totaal overzicht van al deze metingen zie bijlage ‘Meetgegevens’. Het eerste wat opvalt, is dat de eerste meting met een pulsperiode van 10 s. (frequentie van 0.1 Hz) tot en met de meting met een periode van 0.06 s. (frequentie van 17 Hz) wordt afgekapt bij een waarde van -2.5 V. Dit komt omdat de TUeDACS een bereik hebben tussen de -2.5 V en 2.5V. De voedingsspanning van de camera is bij deze algemene metingen op 700 V ingesteld, wanneer deze op 500 V wordt ingesteld zullen de metingen binnen het spanningsgebied van de TUeDACS vallen en worden de metingen niet meer afgekapt. Dit is dan ook gedaan bij de specifieke metingen. Een ander punt dat opvalt, is dat de metingen bij een periode van 10 s. (frequentie van 0.1 Hz) tot en met een periode van 0.06 s. (frequentie van 17 Hz) een verloop hebben in de tijd. Dit verschijnsel kan verklaard worden doordat de vlam van de oppervlakte brander (1D brander) niet 100% vlak is. Er vormden zich cellen op het branderdek

21

waarmee de oppervlakte brander 2D (Bunsenbrander) verschijnselen ging vertonen. Het verloop in de tijd is een 2D verschijnsel. Uiteindelijk valt op te merken dat bij een equivalentiefactor φ van 1.0 de gemeten curve pas bij een periode van 0.014 s. (frequentie van 71 Hz) op een sinusoïde gaat lijken. Dit tot en met de curve van een periode van 0.01 s. (frequentie van 100 Hz). Bij een periode kleiner dan 0.01 s. is geen duidelijke curve meer waarneembaar en valt de vlam dus niet meer te actueren. Equivalentiefactor φ = 1.2 Alle metingen bij een equivalentiefactor van 1.2 geven een rechte lijn. De verklaring hiervoor is dat de TUeDACS een maximale spanning kunnen verwerken van 2.5 V. Dit wil dus zeggen dat de uitgaande spanning van de camera groter is dan 2.5 V bij alle metingen.

6.2 Specifieke metingen De specifieke metingen zijn uitgevoerd voor een pulsperiode gebied tussen 0.025 s. (frequentie van 40 Hz) en 0.004 s. (frequentie van 250 Hz). Deze metingen zijn uitgevoerd voor een equivalentiefactor van φ = 0.8 , φ = 1.0 en φ = 1.2. Al deze metingen zijn uitgevoerd voor een injectie gasdruk van 120 kPa (1.2 bar). Ook is de voedingsspanning van de camera ingesteld op 500 V in plaats van 700 V, zoals dit gedaan is bij de algemene metingen. Hierdoor zijn de metingen minder nauwkeurig, maar zullen in ieder geval binnen het spanningsbereik van de TUeDACS liggen. Wanneer wordt gekeken naar de metingen (figuur 13 en 14) met een equivalentiefactor van φ = 0.8, dan valt meteen op dat de spanning bij een grote negatieve waarde begint om vervolgens te stabiliseren rond een minder negatieve spanning. Deze spanningsdaling in het begin van de meting kan worden verklaard doordat het ‘stilstaande’ gas in de slang naar de aangepaste Rijke buis, in één keer vooruit wordt geduwd door het openen van de injector. Hiermee wordt in het begin een grotere hoeveelheid lucht ingespoten en zal er een grotere hoeveelheid OH*-moleculen worden gedetecteerd. Dit alles zal een grotere negatieve spanning tot gevolg hebben. Wanneer vervolgens gekeken wordt naar de metingen (figuur 13 en 14) met een equivalentiefactor van φ = 1.0, dan zien we dezelfde spanningsdaling aan het begin van de metingen als die bij een equivalentiefactor van φ = 0.8. Hiervoor geldt dezelfde verklaring. Uiteindelijk worden de metingen met equivalentiefactor 1.2 geanalyseerd. Ook hier treedt een inschakelverschijnsel op zoals bij de metingen met equivalentiefactor 0.8 en 1.0. Hier treedt echter niet meteen een spanningsdaling op, maar eerst een hogere spanning om vervolgens pas de spanningsdaling te vertonen. Hierna gaat de spanning naar een stabiele waarde, welke ergens tussen in ligt. Dit verschijnsel is mede te verklaren door het ‘stilstaande’gas welke na inschakeling van de injector in één keer vooruit geduwd wordt. Een andere factor die hiervoor bepalend is, is dat het gasmengsel een (brandstof) rijk mengsel is. Uiteindelijk kan de conclusie getrokken worden dat het mogelijk is de vlam te actueren. Actuatie is namelijk mogelijk voor de frequentiegebieden waarbij een sinusoïde wordt vertoond. De frequentie gebieden zijn echter wel verschillend bij verschillende equivalentiefactoren. De gegevens zijn op een rijtje gezet in tabel 2 en bijbehorende grafieken zijn weergegeven in figuur 13 en 14.

22

Nulmeting Vlam te actueren vanaf een frequentie/periode Vlam te actueren tot een frequentie/periode

Equivalentiefactor φ = 0.8 -0.09 V - -0.1 V 25 Hz 0.04 s.



50 Hz

100 Hz

250 Hz

0.02 s.

0.01 s.

0.004 s

Tabel 2: Vlam actuatie mogelijk voor verschillende frequentiegebieden bij verschillende equivalentiefactoren.

-0.7

-0.1 meting nr 1 meting nr 2

meting nr 1 meting nr 2

-0.8

-0.12 -0.9

-0.14

spanning (V)

-1.1

-1.2

-0.16

-0.18

-1.3

-0.2 -1.4

-0.22

-1.5

-1.6

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

-0.24

0.5

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

Sinusoïde verloop begint bij metingen met een equivalentiefactor van φ = 1,0 bij een frequentie van 71 Hz

Sinusoïde verloop begint bij metingen met een equivalentiefactor van φ = 0.8 bij een frequentie van 25 Hz


Figuur 13: Start van frequentiegebieden waarbij vlam actuatie mogelijk is

-0.2

-0.22

spanning (V)

spanning (V)

-1

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

Sinusoïde verloop begint bij metingen met een equivalentiefactor van φ = 1,2 bij een frequentie van 71 Hz

23

-0.8


meting nr 1 meting nr 2

-0.9 -0.14 -1

spanning (V)

-0.16

-1.2

-1.3

-1.4

-0.18

-0.2

-1.5 -0.22 -1.6

-1.7

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

-0.24

0.5

0

Figuur 14: Eind van frequentiegebieden waarbij vlam actuatie niet meer mogelijk is

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

Sinusoïde verloop eindigt bij metingen met een equivalentiefactor van φ = 0.8 bij een frequentie van 50 Hz

Sinusoïde verloop eindigt bij metingen met een equivalentiefactor van φ = 1,0 bij een frequentie van 100 Hz

-0.18 meting nr 1 meting nr 2 -0.2

-0.22

spanning (V)

spanning (V)

-1.1

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

Sinusoïde verloop eindigt bij metingen met een equivalentiefactor van φ = 1,2 bij een frequentie van 250 Hz

24

Hoofdstuk 7: Conclusie In dit hoofdstuk zal antwoord worden gegeven op de aan het begin gestelde onderzoeksvraag, namelijk: ‘kan een vlam geactueerd worden doormiddel van extra lucht/brandstof toevoer’. Uiteindelijk is bij de metingen alleen lucht geïnjecteerd net onder het branderdek van de aangepaste Rijke buis. De actuator die voor deze lucht injectie is gebruikt, is een LPG/CNG injector. Omdat de injector alleen gesloten of geopend kan worden, is de hoeveelheid geïnjecteerde lucht alleen afhankelijk van de openingstijden van de injector. De openingstijden van deze injector zijn begrensd tot een maximale frequentie van 250 Hz. Bij de metingen zijn alleen de equivalentiefactor φ en de frequentie waarmee de pulzen (welke de openingstijden bepalen) worden uitgestuurd veranderd. Parameters zoals de snelheid waarmee het lucht/methaan mengsel in de hoofdaanvoer naar de aangepaste Rijke buis stroomt (15 cm/s) en de luchtdruk voor de injector (1.2 bar) zijn bij alle metingen constant gehouden. Uit de analyse van de meetgegevens is gebleken dat bij een equivalentiefactor van φ is 0.8 de vlam geactueerd kan worden tussen een pulsfrequentie van 25 Hz en 50 Hz. Bij een equivalentiefactor van φ is 1.0 ligt deze pulsfrequentie tussen 71 Hz en 100 Hz. Bij een equivalentiefactor van φ is 1.2 ligt deze frequentie tussen 71 Hz en 250 Hz. De frequentie van 250 Hz zal bij een φ van 1.2 waarschijnlijk nog hoger liggen, maar kon tijdens de metingen niet verder onderzocht worden omdat deze frequentie de maximale frequentie van de injector is. Uiteindelijk kan dan ook geconcludeerd worden dat het mogelijk is een vlam te actueren doormiddel van extra lucht toevoer. De opmerking die hierbij gemaakt moet worden is dat dit bij verschillende equivalentiefactoren geld voor verschillende frequentie gebieden.

25

Literatuurlijst [1] Rook, R. (2001). Acoustics in Burner-Stabilised Flames. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven [2] Smith, E., Vivian, B.E. (1995). An Introductory Guide to Valve Selection. Londen: Mechanical Engineering Publications [3] Kasedorf, Jürgen. (1996). Benzine inspuiting en katalysator techniek. Deventer: Kluwer Voertuitechniek.

26

Bijlage 1: Symbolenlijst

Symbool p

Grootheid Druk

p’

Fluctuaties in druk

u u’

Gassnelheid Fluctuaties in gassnelheid Gassnelheid van onverbrand mengsel Verbrandingssnelheid Warmte afgifte Fluctuaties in warmte afgifte Spanning Stroomsterkte Weerstand Lengte Temperatuur Equivalentiefactor

uu SL q q’ U I R L T φ

Eenheid Newton per vierkante meter (Pascal) Newton per vierkante meter (Pascal) Meters per seconde Meters per seconde

Afkorting eenheid N/m2

m/s m/s

Meters per seconde

m/s

Meters per seconde Joule Joule

m/s J J

Volt Ampère Ohm Meter Graden (Celsius) Dimensieloos

V A Ω m 0 C n.v.t.

N/m2

27

Bijlage 2: Onderzoekers van thermo-akoestieke oscillaties Higgins was de eerste die onderzoek deed naar de verbrandingsaangedreven oscillaties in orgel pijpen. Hij deed hiernaar onderzoek in 1777 en dit werd bekend als de “singing flames”. Goede voorbeelden van de convectie/geleiding aangedreven oscillaties zijn de Sondhaus buis en de Rijke buis. In 1895 ontdekte Rijke dat sterke oscillaties optreden wanneer een verwarmd gaas werd geplaatst in de onderste helft van een pijp die aan het beide einden open is. Hierbij waren oscillaties het sterkst wanneer het verwarmd gaas op ¼ van de lengte van de buis vanuit de bodem werd geplaatst. In 1850 beschreef Sondhaus het beste wat vandaag de dag gezien wordt als thermo-akoestieke oscillaties. Hij onderzocht dat wanneer een stabiele gas vlam werd gehouden bij de geslote kant van een glazen bol, de lucht in de bol spontaan begon te oscilleren en geluid begon te produceren. Dit geluid was karakteristiek aan de lengte van de buis en aan het volume van de bol. Uiteindelijk was het Lord Rayleigh die in 1887 kwam met een verklaring voor de zogenaamde Sondhauss oscillaties. Hij kwam tot de conclusie dat thermoakoestiek te wijten was aan de interactie tussen warmte injectie en dichtheidsverschillen. Volgens hem was het zo dat akoestische oscillaties energie verkrijgen wanneer warmte is toegevoerd op het moment van grootste compressie of wanneer warmte wordt afgevoerd op het moment van grootste expansie. Hiermee is Rayleigh een van de grondleggers voor de hedendaagse verklaring van het begrip thermo-akoestiek. Putnam en Dennis hebben in 1954 de verklaring van Lord Rayleigh in een formule beschreven: T

∫ p' (t )q' (t )dt > 0, 0

waarbij p de druk is, q de warmte afgifte, T geeft de tijd van één periode van een cyclus en het symbool ‘ geeft weer dat het fluctuerende grootheden zijn. Om deze vergelijking kloppend te kunnen maken moet er een verband zijn tussen de druk golf en de warmte bron. Als het fase verschil tussen de warmte en druk oscillaties verschild binnen de 90 graden, zal akoestische energie geproduceerd worden. Wanneer deze groter is dan 90 graden zal het geluid worden uitgedempt.

Figuur 16 : Rijke buis. Wanneer het verwarmde gaas op ¼ van de buis wordt geplaatst kunnen de akoestische oscillaties het beste opgemerkt worden.

Figuur 17 : Sondhaus buis. Wanneer warmte wordt toegevoerd aan het gesloten einde, dan kan geluid geluid worden geproduceerd.

28

Bijlage 3: Oscillaties veroorzaakt door geluid Het ontstaan van geluid door thermo-akoestiek is beschreven in hoofdstuk 2. Het omgekeerde kan echter ook voor komen, namelijk het genereren van een temperatuur gradiënt door het opleggen van akoestische oscillaties. Volgens dit principe kan een luidspreker gebruikt worden om via geluid koeling te verkrijgen, en deze machines worden hiermee luidspreker gedreven thermo-akoestische koelers genoemd. Deze machines bestaan uit een luidspreker die verbonden is met een akoestische resonator. De eerste akoestische warmte pomp (koeler) is gebouwd in het onderzoeksinstituut Los Alamos National Laboratories, en maakte gebruik van een luidspreker aan één eind van de gesloten buis om de akoestische resonantie aan te drijven, en een lamellen constructie van fiber glas aan het andere eind. Het systeem werd vervolgens gevuld met helium gas. Hierbij wekte de luidspreker een geluidsgolf op in de resonator. Door de wisselwerking van het oscillerende gas met de kanaalwanden van de lamellen constructie werd koeling gegenereerd. Belangrijke parameters hierbij zijn de grootte van de ruimtes in de lamellen constructie en het Prandtl getal, omdat zij de energie stroming bepalen. Het is tevens zo dat het Prandtl getal een dimensieloze parameter is en gekarakteriseerd wordt door de ratio van de kinematische viscositeit en de thermische geleiding. Hieruit volgt dat een klein Prandtl getal zal leiden tot een goede warmteoverdracht.

29

Bijlage 4: Brandstofinjector Na overweging van alle mogelijke actuatoren, welke toegepast zouden kunnen worden in de aangepaste Rijke buis, is er gekozen voor een brandstofinjector. De keuze is gevallen op een ‘standaard’ brandstofinjector uit een audi motor. Deze is weergegeven in figuur 19. De opzet was om deze brandstofinjector aan te sturen met behulp van een zogenaamde MOSFET versterker. In figuur 18 is het elektrische schema te zien van de opstelling waarmee getracht is de brandstofinjector aan te sturen. Met behulp van een multimeter kunnen de spanningen worden bepaald door de spanning te meten over een bepaald apparaat. De stroomsterkte die op de brandstofinjector is gezet is bepaald door de spanning te meten over de weerstand en deze te delen door de weerstandswaarde. De spanningen en stroomsterktes bij verschillende MOSFET standen zijn aan het eind van deze bijlage gevoegd. De brandstofinjector kon uiteindelijk niet worden aangestuurd door het ontbreken van een injector driver waarmee spanningen en stroomsterktes specifiek worden uitgestuurd. Weerstand, R =180 Ω TueDac

MOSFET versterker

brandstofinjector

Figuur18: Elektrisch schema voor aansturen brandstofinjector

Figuur19: Brandstofinjector uit audi motor

30

Spanningsmeting over MOSFET versterker bij verschillende MOSFET standen 30.00

Spanning (V)

25.00 20.00 amplitude 1 15.00

amplitude 0.75 amplitude 0.5

10.00 5.00 0.00 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 MOSFET stand (0-40)

Stroombepaling, door middel van spanningsmeting over weerstand van 180 Ω, bij verschillende MOSFET standen 0.1400 0.1200

Stroom (A)

0.1000 0.0800

amplitude 1 amplitude 0.75

0.0600

amplitude 0.5

0.0400 0.0200 0.0000 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 MOSFET stand (0-40)

31

Spanningsmeting over injector bij verschiillende MOSFET standen 1.8 1.6

Spanning (V)

1.4 1.2 amplitude 1

1

amplitude 0.75 amplitude 0.5

0.8 0.6 0.4 0.2 0 40

38

36

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

MOSFET stand (0-40)

32

Bijlage 5: Econosto

33

Bijlage 6: Metingen In de buis van de versimpelde cv opstelling wordt een voorgemengd mengsel van methaan en lucht ingespoten. Door het gasmengsel te ontsteken zal een vlam zich op het branderdek stabiliseren. Het doel van de extra gasinjectie met behulp van de gasinjector is om te bepalen of de vlam hiermee geactueerd kan worden. Of deze vlam geactueerd kan worden kan worden geconstateerd met de camera. Deze camera registreert namelijk hoeveel warmteafgifte de vlam geeft en of deze veranderd door de extra gasinjectie. Om de metingen uit te voeren moeten de volgende handelingen achtereenvolgens worden afgehandeld: -

-

-

-

-

Allereerst moet de koeling van de branderhouder worden aangezet. Deze is ingesteld op 50 0C en het zal ongeveer een half uur duren voordat de branderhouder deze temperatuur bereikt. De MFC’s zijn aangesloten op een zogenaamde Multilab, welke is aangesloten op een computer. De MFC’s moeten opgewarmd worden voor goed functioneren. Hiervoor moet het Mulilab ook ongeveer een half uur van te voren aangezet worden. Met behulp van het programma ‘MFC controller’ kan de doorstroming door deze MFC’s worden geregeld. In het programma moeten het serienummer van de desbetreffende MFC, de (maximale) doorstroming en het doorstromende medium worden ingesteld. Na het testen van de MFC’s kan de equivalentieratio φ en de doorstroomsnelheid van het gasmengsel worden ingevoerd. Als dit alles ingesteld is de gasaanvoer naar de aangepaste Rijke buis mogelijk. De ingang van de gasinjector moet aangesloten zijn op het perslucht netwerk. De PTFE slang die verbonden is met de uitgang van de gasinjector moet midden onder het branderdek worden gepositioneerd. Dit alles moet aangesloten zijn zoals beschreven is in paragraaf 4.4. Het spreekt voor zich dat alle kranen tijdens het uitvoeren van een meting open moeten staan. Een laptop moet aangesloten zijn op een TUeDACS, waarbij de DAC uitgang is aangesloten op een voeding van 12 V en aan de injector driver. De injector driver is verbonden met de gasinjector. Dit alles is goed te zien in figuur 9. Voor extra beschrijving hiervan zie paragraaf 4.4. De periode en pulsbreedte waarmee de tijd ingesteld kan worden dat de gasinjector wordt geopend, kunnen in het Simulink model worden ingesteld in een zogenaamd pulsgenerator blok. Van het Simulink model moet een Real Time Application worden gebouwd (door ctrl-b in te toetsen). Dit is al uitgelegd in paragraaf 4.4. Vervolgens moet een command prompt (Terminal program) geopend worden waarin eerst ‘su’ (superuser) ingetypt moet worden om de benodigde rechten te verkrijgen. Hierna wordt ‘wt_run ./simulinkmodelnaam – w’ ingetoetst. Vervolgens kan een connectie gemaakt worden tussen het Simulink model en de real-time applicatie door ‘connect to target’ aan te klikken in het Simulink model en vervolgens ‘start real-time code’. De gasinjector wordt vervolgens aangestuurd. De buis van de versimpelde cv opstelling moet voorzien worden van een methaan/lucht mengsel. Hiervoor moeten de kranen van de methaan en lucht toevoer worden geopend.

34

-

De methaan en lucht toevoer zijn aangesloten op twee MFC’s die op het mengbord zijn geplaatst, namelijk MFC 36 (40 l/min) en MFC 9 (4 l/min). De kranen na de gebruikte MFC’s moeten worden open gezet. Uiteindelijk moet de camera 600 mm boven het branderdek worden gepositioneerd met behulp van een statief om het beeld scherp te stellen. Alleen het branderdek moet in beeld worden gebracht doormiddel van het diafragma. Vervolgens moet de camera op een voeding van 500 V worden ingesteld. De uitgang van de camera wordt eerst verbonden met een oscilloscoop en vervolgens aangesloten op de ADC ingang van de TUeDACS. De TUeDACS is aangesloten op een laptop waarbij de meetgegevens in een *.mat file op worden geslagen.

Wanneer alle bovenstaande punten zijn afgewerkt kan begonnen worden met de metingen. Hierbij moet eerst de gastoevoer naar de versimpelde cv opstelling worden gestart. Doormiddel van een vlam (aansteker) kan het gasmengsel worden aangestoken en zal er een vlam stabiliseren net boven het branderdek. Wanneer vervolgens in het Simulink model de real time applicatie wordt gestart zal er lucht geïnjecteerd worden net onder het branderdek en zullen de meetgegevens worden weggeschreven in een *.mat file.

35

Bijlage 7: Specificaties LPG/CNG injector

36

37

38

Bijlage 8: Meetgegevens Algemene metingen Om de meetgegevens goed te kunnen analyseren moet er een metingen gebeuren waarbij het ingangssignaal nul is. Deze is hieronder weergegeven:


-0.09

spanning (V)

-0.092

-0.094

-0.096

-0.098

-0.1

0

0.5

1

1.5

2

2.5 tijd (s)

3

3.5

4

4.5

5

De gemiddelde waarde ligt tussen de -0.09 en -0.1

39

Werkcondities:

Perslucht wordt bij het branderdek ingespoten met een druk van 1.2 bar. De hoofdstroming van het methaan/lucht mengsel heeft een equivalentiefactor van 0.8 De hoofdstroming heeft een snelheid van 15 cm/s.

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 10 sec Puls breedte = 50% Amplitude 2.5 (deze is in het vervolg altijd 2.5, omdat dit de benodigde spanning is om de gasinjector te laten schakelen.) Uitgangssignaal: Twee metingen zijn uitgevoerd bij de zelfde ingangssignalen. Hierbij zijn de metingen gefit per halve periode en vormen een rechte lijn (0e orde). Vervolgens zijn deze twee gefitte lijnen (wederom per halve periode) gemiddeld en vormen de gestippelde lijn. Waardes van de gestippelde lijn: -0.9893 -1.7031 -1.0150 -1.7324

-0.6 meting nr 1 meting nr 2 gemiddelde waardes gestippelde lijn gemiddelde van meting 1 en 2

-0.8

spanning (V)

-1

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

0

2

4

6

8

10 tijd (s)

12

14

16

18

20

40

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 8 sec Puls breedte = 50% Waardes van de gestippelde lijn: -0.9477 -1.6668 -0.9827 -1.6835 -0.9903


-0.8

spanning (V)

-1

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

0

2

4

6

8

10 tijd (s)

12

14

16

18

20

41

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 6 sec Puls breedte = 50% Waardes van de gestippelde lijn: -0.9149 -1.6080 -0.9538 -1.6498 -0.9723 -1.6674 -0.9807


-0.8

spanning (V)

-1

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

0

2

4

6

8

10 tijd (s)

12

14

16

18

20

42

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 4 sec Puls breedte = 50% Waardes van de gestippelde lijn: -0.9378 -1.6222 -0.9602 -1.6458 -0.9688 -1.6550 -0.9722 -1.6599 -0.9730 -1.6636


-0.8

spanning (V)

-1

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

0

2

4

6

8

10 tijd (s)

12

14

16

18

20

43



-0.8

spanning (V)

-1

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

0

1

2

3

4

5 tijd (s)

6

7

8

9

10

44



-1

spanning (V)

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

-2.2

0

0.5

1

1.5

2

2.5 tijd (s)

3

3.5

4

4.5

5

45

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.8 sec Puls breedte = 50% Waardes van de gestippelde lijn: -1.1213 -1.8642 -1.1194 -1.8646 -1.1306 -1.8732 -1.1367 -1.8829 -1.1388 -1.8817 -0.8 meting nr 1 meting nr 2 gemiddelde waardes gestippelde lijn gemiddelde van meting 1 en 2

-1

spanning (V)

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

-2.2

0

0.5

1

1.5

2 tijd (s)

2.5

3

3.5

4

46


-1

spanning (V)

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

-2.2 6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

tijd (s)

47


-1

spanning (V)

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

-2.2

8

8.2

8.4

8.6

8.8

9 tijd (s)

9.2

9.4

9.6

9.8

10

48


-1

spanning (V)

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

-2.2

9

9.1

9.2

9.3

9.4

9.5 tijd (s)

9.6

9.7

9.8

9.9

10

49

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.1 sec Puls breedte = 50% -0.8 meting nr 1 meting nr 2 -1

spanning (V)

-1.2

-1.4

-1.6

-1.8

-2

-2.2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 tijd (s)

0.6

0.7

0.8

0.9

1


-1.1

-1.2

spanning (V)

-1.3

-1.4

-1.5

-1.6

-1.7

-1.8

-1.9

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 tijd (s)

0.6

0.7

0.8

0.9

1

50


-1.1

-1.2

spanning (V)

-1.3

-1.4

-1.5

-1.6

-1.7

-1.8

-1.9

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.04 sec Puls breedte = 50% -0.7 meting nr 1 meting nr 2 -0.8

-0.9

spanning (V)

-1

-1.1

-1.2

-1.3

-1.4

-1.5

-1.6

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

51


-1

spanning (V)

-1.1

-1.2

-1.3

-1.4

-1.5

-1.6

-1.7

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5


-1

spanning (V)

-1.1

-1.2

-1.3

-1.4

-1.5

-1.6

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

52


spanning (V)

-1

-1.1

-1.2

-1.3

-1.4

-1.5

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5


-0.9

spanning (V)

-1

-1.1

-1.2

-1.3

-1.4

-1.5

-1.6

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

53


-1.1

spanning (V)

-1.2

-1.3

-1.4

-1.5

-1.6

-1.7

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

54

Algemene metingen Om de meetgegevens goed te kunnen analyseren moet er een metingen gebeuren waarbij het ingangssignaal nul is. Deze is hieronder weergegeven:


spanning (V)

-0.175

-0.18

-0.185

-0.19

-0.195

-0.2

0

0.5

1

1.5

2

2.5 tijd (s)

3

3.5

4

4.5

5


55

Werkcondities:

Perslucht wordt bij het branderdek ingespoten met een druk van 1.2 bar. De hoofdstroming van het methaan/lucht mengsel heeft een equivalentiefactor van 1 De hoofdstroming heeft een snelheid van 15 cm/s.

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 10 sec Puls breedte = 50% Amplitude 2.5 (deze is in het vervolg altijd 2.5, omdat dit de benodigde spanning is om de gasinjector te laten schakelen.)


spanning (V)

-1.6

-1.8

-2

-2.2

-2.4

-2.6

0

2

4

6

8

10 tijd (s)

12

14

16

18

20

56

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 6 sec Puls breedte = 50% -1.2 meting nr 1 meting nr 2 -1.4

spanning (V)

-1.6

-1.8

-2

-2.2

-2.4

-2.6

0

2

4

6

8

10 tijd (s)

12

14

16

18

20


spanning (V)

-1.6

-1.8

-2

-2.2

-2.4

-2.6

0

2

4

6

8

10 tijd (s)

12

14

16

18

20

57


spanning (V)

-1.6

-1.8

-2

-2.2

-2.4

-2.6

0

0.5

1

1.5

2 tijd (s)

2.5

3

3.5

4

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.6 sec Puls breedte = 50% -1 meting nr 1 meting nr 2

spanning (V)

-1.5

-2

-2.5

0

1

2

3

4 tijd (s)

5

6

7

8

58


spanning (V)

-1.5

-2

-2.5

0

1

2

3

4 tijd (s)

5

6

7

8


spanning (V)

-1.6

-1.8

-2

-2.2

-2.4

-2.6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 tijd (s)

1.2

1.4

1.6

1.8

2

59


spanning (V)

-1.5

-2

-2.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 tijd (s)

1.2

1.4

1.6

1.8

2


spanning (V)

-1.6

-1.8

-2

-2.2

-2.4

-2.6

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 tijd (s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

60

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.01sec Puls breedte = 50% -1.2 meting nr 1 meting nr 2 -1.4

spanning (V)

-1.6

-1.8

-2

-2.2

-2.4

-2.6

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1 tijd (s)

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2


spanning (V)

-1.6

-1.8

-2

-2.2

-2.4

-2.6

0

0.02

0.04

0.06

0.08 tijd (s)

0.1

0.12

0.14

0.16

61


-1.5

-1.6

spanning (V)

-1.7

-1.8

-1.9

-2

-2.1

-2.2

-2.3

0

0.02

0.04

0.06

0.08 tijd (s)

0.1

0.12

0.14

0.16

62

Algemene metingen Om de meetgegevens goed te kunnen analyseren moet er een metingen gebeuren waarbij het ingangssignaal nul is. Deze is hieronder weergegeven:


spanning (V)

-0.19

-0.195

-0.2

-0.205

-0.21

-0.215 0

0.5

1

1.5

2

2.5 tijd (s)

3

3.5

4

4.5

5


63

Werkcondities:


Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 10 sec Puls breedte = 50% Amplitude 2.5 (deze is in het vervolg altijd 2.5, omdat dit de benodigde spanning is om de gasinjector te laten schakelen.) -1 meting nr 1 meting nr 2

-1.5

spanning (V)

-2

-2.5

-3

-3.5

0

1

2

3

4

5 tijd (s)

6

7

8

9

10

Alle metingen bij een equivalentiefactor van 1.2 geven een rechte lijn zoals in bovenstaande figuur. De verklaring hiervoor is dat de Tuedac kastjes een maximale spanning kunnen verwerken van 2.5 V. Dit wil dus zeggen dat de uitgaande spanning van de camera groter is dan 2.5 V bij alle metingen.

64

Specifieke metingen Om de meetgegevens goed te kunnen analyseren moet er een metingen gebeuren waarbij het ingangssignaal nul is. Deze is hieronder weergegeven:


-0.09

spanning (V)

-0.092

-0.094

-0.096

-0.098

-0.1

0

0.5

1

1.5

2

2.5 tijd (s)

3

3.5

4

4.5

5


65

Werkcondities:


Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.025 sec Puls breedte = 50% Amplitude 2.5 (deze is in het vervolg altijd 2.5, omdat dit de benodigde spanning is om de gasinjector te laten schakelen.)


spanning (V)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

66


spanning (V)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.012 sec Puls breedte = 50% -0.06 meting nr 1 meting nr 2

-0.07

spanning (V)

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

67


spanning (V)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


-0.07

spanning (V)

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

68


spanning (V)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


spanning (V)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

69


spanning (V)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


spanning (V)

-0.07

-0.08

-0.09

-0.1

-0.11

-0.12

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

70



spanning (V)

-0.175

-0.18

-0.185

-0.19

-0.195

-0.2

0

0.5

1

1.5

2

2.5 tijd (s)

3

3.5

4

4.5

5


71

Werkcondities:

Perslucht wordt bij het branderdek ingespoten met een druk van 1 bar. De hoofdstroming van het methaan/lucht mengsel heeft een equivalentiefactor van 1 De hoofdstroming heeft een snelheid van 15 cm/s.

Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.025 sec Puls breedte = 50% Amplitude 2.5 (deze is in het vervolg altijd 2.5, omdat dit de benodigde spanning is om de gasinjector te laten schakelen.) -0.12 meting nr 1 meting nr 2 -0.14

spanning (V)

-0.16

-0.18

-0.2

-0.22

-0.24

-0.26

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

72


spanning (V)

-0.14

-0.16

-0.18

-0.2

-0.22

-0.24

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


-0.12

spanning (V)

-0.14

-0.16

-0.18

-0.2

-0.22

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

73


-0.14

spanning (V)

-0.16

-0.18

-0.2

-0.22

-0.24

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


-0.14

-0.15

spanning (V)

-0.16

-0.17

-0.18

-0.19

-0.2

-0.21

-0.22

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

74


-0.14

-0.15

spanning (V)

-0.16

-0.17

-0.18

-0.19

-0.2

-0.21

-0.22

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


-0.14

spanning (V)

-0.16

-0.18

-0.2

-0.22

-0.24

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

75


-0.14

-0.15

spanning (V)

-0.16

-0.17

-0.18

-0.19

-0.2

-0.21

-0.22

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


-0.14

spanning (V)

-0.16

-0.18

-0.2

-0.22

-0.24

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

76



spanning (V)

-0.19

-0.195

-0.2

-0.205

-0.21

-0.215 0

0.5

1

1.5

2

2.5 tijd (s)

3

3.5

4

4.5

5


77

Werkcondities:


Ingangssignaal: Pulssignaal Periode = 0.025 sec Puls breedte = 50% Amplitude 2.5 (deze is in het vervolg altijd 2.5, omdat dit de benodigde spanning is om de gasinjector te laten schakelen.)


-0.22

spanning (V)

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

-0.34

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

78


spanning (V)

-0.22

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


-0.2

-0.22

spanning (V)

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

-0.34

-0.36

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

79


spanning (V)

-0.22

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


spanning (V)

-0.22

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

80


-0.22

-0.23

spanning (V)

-0.24

-0.25

-0.26

-0.27

-0.28

-0.29

-0.3

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


spanning (V)

-0.22

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

81


-0.22

spanning (V)

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)


spanning (V)

-0.22

-0.24

-0.26

-0.28

-0.3

-0.32

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

tijd (s)

82

Vlam actuatie doormiddel van extra gas injectie

Recommend Documents