Flowmåling. 30 minutter.

Transkript

1 Flowmåling. 30 minutter

2 Flowprofiler i kote 61m: 3 ovne i drift 4 ovne i drift Et af flowmålingens store problemer er ændringer eller uforudsete flowprofiler.

3 Der kan være stor forskel på hvor i kanalen flowmåleren sættes. Punkthastighed i m/s Flowprofil 2. akse Position i % af diameter

4 Der kan være stor forskel på hvor i kanalen flowmåleren sættes. Punkthastighed i m/s Flowprofil 1. akse Position i % af diameter

5 Anlægsmålermetoder: Cross stack: Midlende pitotrør ( Anubar -typer) Ultralyd Single point: Pitotrør Wortex Propel Optisk korrelation Varmetråd

6 Midlende Pitotrør ( Anubar-typer )

7 Et midlende pitotrør har den fordel, at hullerne kan spredes efter arealfordelingen, som angivet i EN15259 for rundekanaler. Således bliver middeltrykket et korrekt areal-vægtet gennemsnit, til beregning af flowet, hvor ultralyd laver et lineært (ikke-areal-vægtet) gennemsnit. Ulemperne fejlmåling ved kraftig gradient, samt de samme som for pitotrør, d.v.s. afhængig af gaskomposition (massefylde, viskositet) og gastilstand (tryk, temperatur) og swirl. Dette skal man kompensere i SRO (ellers ved man ikke hvad der måles).

8 Et midlende pitotrør på en firkantet kanal har ingen fordel over ultralyd, da hullerne skal placeres ækvidistant, som angivet i EN Således bliver middeltrykket et korrekt areal-vægtet gennemsnit, til beregning af flowet ligesom ved ultralyd (!)

9 Her et eksempel fra en kvadratisk kanal. Ved cirkulær kanal skulle de have siddet som de røde markeringer, ved kvadratisk/firkantet kanal som de grønne, men de sad som de blå. Ved jævn turbulent profil betyder det meget lidt, men ved skæv og bevægelig profil kan det medfør store fejl.

10 Flow beregnes fra L-pitot-rør trykket iflg. EN16911 som: Hvor: K= ~1,00 for L-pitot rør (reference metoden) p er differenstrykket P2 P3 er gassens massefylde M er molekylvægten af gaskomponenten P c er er gaskomponentens absolutte gastryk i Pa R er gaskonstanten (8,314 [J/K mol]) T c er gastemperaturen i [K].

11 Flow beregnes fra S-pitot-rør trykket iflg. EN16911 som: Hvor: K= ~0,84 for S-pitot rør p er differenstrykket P2 P3 er gassens massefylde M er molekylvægten af gaskomponenten P c er er gaskomponentens absolutte gastryk i Pa R er gaskonstanten (8,314 [J/K mol]) T c er gastemperaturen i [K].

12 Bestemmelse af gassens massefylde er vigtig, da den indgår direkte i flowformelen: Molekylmassen M - i en røggas bestemmes som summen af volumen-andele: Hvor M B er molekylvægten og F B er volumen-andelen af komponent B

13 Bestemmelse af gassens massefylde er vigtig, da den indgår direkte i flowformelen: Her et eksempel med O 2, CO 2, H 2 O i røggassen og resten N 2 : Hvis følgende koncentrationer indsættes: O 2 7 vol%, CO 2 10 vol%, H vol%, N 2 68 vol% (resten op til 100 vol%) hvor indeks w betyder volumen-andel (i våd gas!). så bliver massefylden 1,2669 eller ca. 2% under atmosfærisk luft.

14 Bestemmelse af gassens massefylde er vigtig, da den indgår direkte i flowformelen: Den er en afvigelse på 2% fra atmosfærisk luft er så lille at jeg ville lade den absorbere i QAL2-faktoren, og fastholde standardværdien. Her ses imidlertid et eksempel på en standard værdi på 1,0000 (???) Det giver en overestimering på flowet på,, og er som her ses lagt ind efter service i 2015! -1 = 13,7% Den pågældende servicetekniker har sikkert ikke anet, hvad han gjorde.

15 Selv noget så enkelt som densiteten [massefylden] kan altså være forkert, og det værste er at leverandørens servicepersonale ikke opdager det ved funktionstest, fordi det, de kalder linearitetstest forgår ved simulering i softwaren! Her er der lagt en massefylde ind i flowcomputeren, som ville være rigtig ved røggastemperatur over 500ºC, men røggassen var 140 ºC. Det fører til en overestimering på over 40%, som man kompenserede ved at lægge en meget lav k-faktor ind og rettede samtidigt lidt op på det, ved at uddrage kvadratroden af differenstrykket 2 gange. Det giver udover et skalerings-problem et stærkt forskudt nulpunkt! Det kan ikke siges tit nok: Skrot flowcomputerne og flyt beregningerne ned i SRO-anlægget, hvor det er sporbart og kontrollerbart. Formlerne findes her og i EN

16 Fugt har nogen indflydelse: 1. Som vanddamp influerer det på gassens massefylde, og derved svagt på kalibreringsfaktoren 2. Som aerosoler kan det tilstoppe hullerne, og derved måle forkert, fordi kun en del af profilet måles. 3. Derfor er trykluftrensning af denne type vigtig. Her et eksempel på en manuelt initieret blæsning

17 Her et eksempel på et automatisk system, som blæser hullerne ud hver 3. time. Det hindrede ikke hullerne i at gro til over en årrække. Derfor er fysisk inspektion ved funktionstest uhyre vigtig.

18 Med ét hul får man en markant forkert måling, afhængig af profilet enten stærkt over eller underestimeret.

19 Forventelig kalibreringsfaktor (uden hensyntagen til instituttets eventuelle målefejl): Med tvunget nulpunkt: 1,00 Hvis der er afvigelser kan det være: forkert parametrering (tryk, temperatur, massefylde) tilstoppede huller. flow fra hul til hul.

20 Cross stack Ultralydsmåling Sick Durag

21 Måleprincip: som at svømme skråt over en å Måling ved transit time Transit times: t t AB BA c v c v p p L cos L cos v p L 1 2cos t AB 1 - t BA v p - average velocity on measuring path t AB,t BA - transit times L - length of measuring path - installation angle to flow axis c - speed of sound Bemærk at lydens hastighed i gassen c udgår af ligningen, d.v.s. metoden er uafhængig af temperatur, tryk og gaskomposition.

22 Måling af løbetiden: Flanke-bestemmelse: Transducer B tangent envelope Transducer A

23 Fugt har ingen indflydelse: Fordi lydens absolutte hastighed i luften udgår af ligningen, påvirkes målingen hverken af: 1. Tryk 2. Temperatur 3. Vanddamp 4. Aerosoler 5. Luftens massefylde 6. De 2 varmekapaciteter c v og c p.

24 En af fordelene ved systemet er indbygget kontrol af funktion: Gennemsnitlig lydhastighed: c L t AB t BA Da lydens hastighed I gassen bl.a. afhænger af temperaturen, kan ultralydshastighedsmålere udlæse temperaturen som kontrol af funktionen (kaldet akustisk temperatur ). Da temperaturen og flow beregnes på de samme to størrelser t AB og t BA, kan flowberegningen ikke være forkert, hvis temperaturberegningen stemmer. Det er derfor et godt alternativ til løbende QAL3-målinger.

25 Hastighed og korrektur vs. temperatur 460 2,0 Lydhastighed i m/s ,8 1,6 1,4 1,2 Korrektion i promille pr. ºC 300 1, Gastemperatur i ºC

26 Forventelig kalibreringsfaktor (uden hensyntagen til måleinstituttets målefejl): Med tvunget nulpunkt: <1,00 Typisk omkring ~ 0.95 Hvis der er afvigelser er det oftest forvrænget flowprofil (<1,00) eller swirl (> 1,00). 0,94 0,96

27 Forventelig kalibreringsfaktor (uden hensyntagen til måleinstituttets målefejl): Swirl får målelængden til at vokse, og derfor måler lavere gashastighed. Dette fører til kalibrerings-faktorer > 1 Her et eksempel hvor hvirveldannelsen er så voldsomt asymmetrisk at det blev nødvendigt med 3 målebaner 120º forskudt.

28 Enkeltpunktsmålere Placering

29 Placeringens store betydning: Der findes et punkt, ca. 20% af diameteren fra kanalvæggen, hvor den turbulente strømning er næsten konstant repræsentativ selvom flowet ændrer sig. Der skal enkeltpunktmålere placeres. En forudsætning er en såkaldt fuldt udviklet turbulent og symmetrisk strømningsprofil.

30 Enkeltpunktsmålere Pitot rør Forventet kalibrering: 1,00 Afvigelser kan skyldes: Forkert montage (målepunkt) Forkert parametrering Tilsmudsning af rør eller tryksensor Gasflow

31 Enkeltpunktsmålere Vortex Höntzsch Endress & Hauser

32 Her et mere stille tilfælde, en vindtunnel optagelse, der smukt viser de vortex ste hvirvler. Princippet er første gang beskrevet af Leonardo da Vinci i 1400-tallet. Hvirvlerne er, efter den ungarske fysiker Theodor von Karman i 1912 beskrev dem matematisk, også kaldet Karmans street eller hvirvel allé.

33 Vortex (fra latin: vertex, at dreje) er således navnet på de hvirvler, der dannes efter et fast legeme i luft eller væsker. Her et billede fra Norskehavet nær Spitzbergen, hvor isflagerne i havet tydeligt viser disse hvirvler. (Billedet er taget af NASA fra rummet) Her en animation, der viser hvordan de dannes:

34 Vortex hvirvler eller Karman street har 2 egenskaber: 1. Frekvensen afhænger alene af Reynoldstallet, d.v.s. flowhastighed, viskositet og diameter af hindringen. 2. Hvirvel-alléen anslår et legeme i strømningen, der så vibrerer med alléens frekvens. Derfor: Hvis viskositeten er kendt, og diameteren er givet, kan frekvensen anvendes som mål for flowhastigheden.

35 Frekvensen afhænger af Strouhal tallet: Hvor: f v er vortex frekvensen D c er diametren af en cylindrisk hindring S er Strouhal tallet. For en cylindrisk hindring er S = 0,18 for Reynoldstal mellem 300 og 10 7, altså meget uafhængig af gas-komposition.

36 Anvendes denne formel på et vant på en båd, hvor vi hører frekvensen at stormens hylen på 440 Hz (kammertonen), og vi ved at vantet er 5 mm tykt, så kan vi bestemme at vindhastigheden er: V = (440*0,005/0,18) = 12,2 m/s Samme princip anvendes i Vortex flowmålere.

37 Vortex princippet er således at introducere en lille obstruktion, og måle frekvensen, hvormed denne påvirkes. Her vises et Endress & Hauser princip, hvor detektionen foretages med kapacitiv aftastning. Her vises Höntzsch vortexmåler.

38 Fugt har ringe indflydelse: Aerosoler påvirker næppe systemet, med mindre det fører til tilsmudsning (f.x. svovlkondensat)

39 Forventet kalibrering: 1,00 Hvis der er fuldt udviklet turbulent profil og måleren er rigtigt placeret. Afvigelser kan skyldes: Forkert montage (målepunkt). Tilsmudsning. At flowprofilet alligevel ikke var så jævnt udviklet, som man troede.

40 Enkeltpunktsmålere Optisk korrelation E-On

41 Optisk korrelation Receivers Transmitters Krydskorrelationen fortæller om et tidsmæssigt sammenhæng

42 Det ses at krydskorralationsfunktionen er en tidsfunktion, her løbende fra 0 til 4 ms. Det ses også at funktionen springer op ved ca. 2 ms. Det tager altså gassen 2 ms at løbe fra detektor 1 til detektor 2, = 50 mm Altså er hastigheden 25 m/s.

43 Fugt har ingen indflydelse: Vanddamp har ingen indflydelse på systemet, så længe det forbliver i dampform. Aerosoler påvirker næppe systemet, men bidrager tvært imod til at øge målesikkerheden.

44 Forventet kalibrering: 1,00 Hvis der er fuldt udviklet turbulent profil og måleren er rigtigt placeret. Afvigelser kan skyldes: Forkert montage (målepunkt). Da det er en cross stack måling vil ujævn flowprofil udjævne krydskorelationens-funktionen og give uklart svar.

45 Enkeltpunktsmålere Propeller (Vane-anemometre) Höntzsch

46 Ikke meget at sige: Det er en punktmåling, som mange andre. Hvis den er lavet ordentligt, fungerer den fint i mange år.

47 Fugt har ringe indflydelse: Så længe vanddampen forbliver i dampfasen, har den ingen indflydelse. Aerosoler påvirker næppe systemet, med mindre det fører til tilsmudsning (f.x. svovlkondensat)

48 Forventet kalibrering: 1,00 Hvis der er fuldt udviklet turbulent profil og måleren er rigtigt placeret. Afvigelser kan skyldes: Forkert montage (målepunkt). Tilsmudsning. At flowprofilet alligevel ikke var så jævnt udviklet, som man troede.

49 Enkeltpunkts eller semi-cross stack målere Ultralyd SICK Hot wire anemometer FCI Kurz Höntzsch

50 Ultralyd på lanse. Målestræk cm.

51 Et opvarmet legeme (tråd) placeres i gas-strømmen: Varmeenergi tilføres elektrisk Varmetabet måles ved at holde: Gasflow 1. Konstant spænding (V²/r), og måle overfladetemperaturen 2. Konstant strøm (I². r), og måle overfladetemperaturen 3. Konstant temperatur, og måle energitabet i W.

52 Det er en stærkt ulineær proces, fordi det største varmetab vil være gennem stråling. Den variere med gassen c p og er derfor afhængig af bl.a. vandindhold. Stærkt afhængig af vanddråber, der fordamper på varmelegemet, og derved overestimerer flow. Spuleluft Punktmåling Nem at kontrollere for nul- og span-punkt: Trækkes ind i flange-røret uden og med spuleluft. Tvivlsom indflydelse fra strålevarmetab under test. Gasflow Position ved måling Position ved kontrol

53 Eksempel på varmetrådsanemometer Sensor: Sådan ser instrumentet ud fra Höntzsch

54 Her er en type, fra Kurz (USA, San Diego). Leveres med op til 3 målepunkter, og hævder at opfylde EN , selvom nul- og span-punkt ikke kan måles. Hævder at kunne kompensere for tilsmudsning p.gr.a. dobbelt sensor uden at komme nærmere ind på hvordan.

55 Denne FCI har 2 målehoveder 180º forskudt overfor hinanden, og flow beregnes fra de 4 punkter i diagonal. Har tillige en specialsoftware, som estimerer flow ud fra de 3 sensorer, hvis én sensor er defekt.

56 Således forslår FCI selv i deres brochure at målerne anvendes med 4 x 2 punkts måling.

57 Typisk installation af et FCI varmetråds-anemometer.

58 Fugt har en del indflydelse: I den udstrækning vanddamp påvirker varmekapaciteten har den indflydelse. Aerosoler derimod påvirker systemet meget, idet vanddråber, der sætter sig på varmeflader skal fordampe, og den fordampningsenergi, der anvendes hertil, fortolkes som forøget flow.

59 Forventet kalibrering: 1,00 Hvis der er fuldt udviklet turbulent profil og måleren er rigtigt placeret. Afvigelser kan skyldes: Forkert montage (målepunkt). Forkert parametrering (massefylde, varmeledningsevne) Dråber og Aerosoler (fordampningsvarmen) Tilsmudsning. At flowprofilet alligevel ikke var så jævnt udviklet, som man troede.

60 Spørgsmål? Tak for opmærksomheden