0
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Liberec 2012 Jakub Hoffmann
1
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
Studijní program: B2612 – Elektrotechnika a informatika
Studijní obor: 2612R011 – Elektronické informační a řídicí systémy
Měření pohybu kapaliny a změn teplot v reálném modelu tepelného výměníku metodou pLIF
Measurement of fluid motion and temperature changes in the real model of the heat exchanger
using pLIF
Bakalářská práce
Autor: Jakub Hoffmann
Vedoucí práce: Ing. Darina Jašíková, Ph.D.
Konzultant: Ing. Petr Švarc
V Liberci 17. 5. 2012
2
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Akademický rok: 2011/2012
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
Jméno a příjmení: Jakub Hoffmann
Osobní číslo: M09000058
Studijní program: B2612 Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektronické informační a řídicí systémy
Název tématu: Měření pohybu kapaliny a změn teplot v reálném modelu tepelného výměníku metodou pLIF Zadávající katedra: Ústav řízení systémů a spolehlivosti
Zásady pro vypracování práce :
1. Seznamte se s problematikou tepelných výměníků, jejich konstrukcí a možnostmi využití.
2. Zvažte možnosti bezkontaktního měření teplotních polí v uzavřených nádobách.
3. Sestavte laboratorní model tepelného výměníku s jednou, popř. maticí výhřevných patron.
4. Průběh ohřevu vody v tepelném výměníku změřte metodou pLIF a pořízené výsledky statisticky zpracujte a vyhodnoťte.
Rozsah grafických prací: dle potřeby
Rozsah pracovní zprávy: cca 40 stran Forma zpracování bakalářské práce: tištěná/elektronická Seznam odborné literatury:
1. Hewitt, G., F.: Heat Exchanger Design Handbook, Begell House, Inc., New York (1998).
2. Hewitt, G., F., Shires, G.,L. and Bott, T., R.: Process Heat Transfer, CRC Press, Inc., New York (1994).
3. Vondráček, Vl.: Mechanika IV : mechanika tekutin a termomechanika Vedoucí práce: Ing. Darina Jašíková, Ph.D.
Konzultant: Ing. Petr Švarc
Datum zadání bakalářské práce: 14. října 2011 Termín odevzdání bakalářské práce: 18. května 2012
3
Prohlášení
Byl(a) jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.
Datum
Podpis
4
Poděkování
Tímto bych chtěl poděkovat vedoucí své bakalářské práce, Ing. Darině Jašíkové, Ph.D., za cenné připomínky a rady při vypracování této bakalářské práce.
Dále bych chtěl poděkovat konzultantovi své bakalářské práce, Ing. Petru Švarcovi, za pomoc při konstrukčních úpravách stratifikační nádoby.
Tato bakalářská práce vznikla za podpory projektu Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření.
5
Abstrakt
Předmětem této práce je kvalitativní a kvantitativní experimentální popis proudění kapaliny a vývoj teplotního pole uvnitř reálného modelu stratifikační nádoby tepelného výměníku. Při experimentální práci byly využity metody Particle image velocimetry a Planar laser induced fluorescence. Výsledky této práce poskytují cenné informace o chování kapaliny uvnitř nádoby, okrajových podmínkách i vznikajícím proudění uvnitř modelu potřebné pro správnost výpočtových modelů a simulací.
Klíčová slova:
fluorescenční barvivo, měřící technika, PIV, pLIF, stratifikace, tepelná výměna, teplotní pole
Annotation
The aim of the bachelor thesis is a qualitative and quantitative experimental description of a development of the fluid flow inside the real model of a stratification tank of the heat exchanger. The experimental work deals with the Particle image velocimetry method and Planar laser induced fluorescence method. The results of this work provide the worthy information about the fluid behaviour, boundary condition and risen fluid flow inside the tank model. This final outcome is necessary for the verification and validity of the analysis models and simulations.
Keywords:
fluorescence dye, heat exchanger, measurement technice, PIV, pLIF, stratification, temperature field
6
Obsah
Prohlášení ... 3
Poděkování... 4
Abstrakt ... 5
Úvod ... 8
1 Tepelný výměník ... 9
1.1 Základní druhy tepelných výměníků... 12
1.2 Stratifikační nádoba ... 15
2 Metody pro měření průběhu ohřevu v tepelném výměníku ... 21
2.1 Termočlánky ... 21
2.2 Termokamera ... 22
3 Model tepelného výměníku... 25
3.1 Návrh modelu ... 25
3.2 Topné patrony ... 27
3.3 Měření termokamerou ... 29
3.4 Použité termostaty ... 31
4 Měřicí metody pro vyhodnocení proudění kapaliny a teplotního pole ... 33
4.1 Měřicí metoda Planar Laser Induce Fluorescence - pLIF ... 33
4.2 Měřicí metoda Particle Image Velocimetry - PIV ... 38
5 Návrh a uspořádání experimentu... 40
5.1 Výpočet a stanovení koncentrace při měření metodou pLIF ... 43
6 Výsledky měření ... 45
6.1 Vyhodnocení průběhu ohřevu metodou pLIF ... 47
6.2 Vyhodnocení rychlosti a průběhu proudení metodou PIV ... 54
6.2.1 Sledování vzniku a vývoje proudění metodou PIV ... 55
6.2.2 Vyhodnocení ustálení proudění metodou PIV ... 58
6.2.3 Vývoj proudění uvnitř modelu - celkový pohled – metodou PIV ... 62
7
6.2.4 Detail proudění v okolí jednotlivých topných patron ... 64
Závěr ... 69
Použitá literatura ... 70
Přílohy ... 72
8
Úvod
Cílem bakalářské práce je mapování průběhu ohřevu vody v reálném modelu stratifikační nádoby tepelného výměníku, a to metodou Planar Laser Induced Fluorescence určené k měření teplotních polí a současně metodou Particle Image Velocimetry pro vyhodnocování proudění tekutin. V současnosti je kladen velký důraz na obnovitelné zdroje energie, zejména ohřev vody pomocí slunečního záření je rozšířen jak v průmyslu, tak i ve využití domácnostmi. Součástí komplexního systému slunečních kolektorů, potrubí, regulátorů atd. je také stratifikační nádoba, jejíž vnitřní uspořádání topného systému má zásadní vliv na účinnost celého zařízení.
Optimalizace vnitřního uspořádání stratifikační nádoby je velmi finančně i časově náročná, z těchto důvodů byl Fakultou strojní na Technické univerzitě v Liberci vytvořen model, který odpovídá reálnému uspořádání stratifikační nádoby. Výhodou modelu je jeho optická přístupnost a variabilita vnitřního uspořádání topného systému.
Současně s návrhem experimentu vzniká počítačový model v simulačním softwaru Ansys Fluent.
Přínosem této bakalářské práce je realizace experimentů, které přispívají k ověření počítačového modelu a správnosti zadání vstupních podmínek.
9
1 Tepelný výměník
Výměník je zařízení, které slouží k výměně energie mezi soustavami a objekty o různých parametrech.
Podle pracovního média se dají výměníky dělit do dvou základních skupin: beze změny fáze (např. výměník vzduch-vzduch, spaliny-voda, olej-voda) nebo se změnou fáze (v nich dochází ke změně skupenství, tj. kondenzaci nebo odpaření, jedné látky, např. kondenzátor páry chlazený vodou). Podle konstrukce teplosměnné plochy jsou nejčastěji používány výměníky deskové nebo trubkové. V případě této práce se využívá výměník beze změny fáze.
Další rozdělení teplotních výměníků je podle toku tekutin:
- Souproud - při souproudu proudí teplejší i chladnější kapalina stejným směrem.
- Protiproud - při protiproudu proudí teplejší a chladnější kapalina v opačných směrech.
Obr. 1 – Souproud. [1]
Obr. 2– Protiproud. [1]
10
Obr. 3 – Křížový tok. [1]
Obr. 4 – Svazkový a deskový výměník. [1]
Deskové a svazkové výměníky patří mezi nejpoužívanější tepelné výměníky.
Obecně platí, že deskový výměník patří mezi nejúčinnější. Na obrázku č. 4 je vnitřní uspořádání svazkového a deskového výměníku a jejich konstrukční uspořádání.
Oproti trubkovému výměníku má deskový výměník větší účinnost, v celkovém sestrojení zabere menší plochu, deskový výměník lze snadno podle potřeby upravit přidáním, či odebráním desek, u chladicích systémů lze vodu přivést téměř k bodu varu.
tekutina:
A –teplejší B –chladnější i –vstup e -výstup
11
Obr. 5 – Rozdělení teplot ve výměnících tepla. [1]
Na obrázku č. 5 je vidět rozdělení a průběh teplot jednotlivých konstrukcí tepelného výměníku.
Varianta a) – kapalina A kondenzuje, b) – kapalina B vře,
c) – souproud, d) – protiproud,
e) – smíšené proudění – kapalina B – dva chody, kapalina A – jeden chod, f) – křížové proudění.
12
1.1 Základní druhy tepelných výměníků
Deskový výměník tepla
Deskový výměník tepla se skládá ze svazku tenkých desek umístěných mezi dvěma přítlačnými koncovými deskami. Po stažení svazku desek se vytvoří dvě nebo více skupin oddělených průtočných kanálků pro horké a studené médium. V závislosti na specifickém procesu, pro který je kondenzátor určen, lze tyto kanálky utěsnit různými druhy těsnění, desky jsou staženy k sobě šrouby nebo jsou k sobě připájeny.
[2]
Existuje několik typů deskových tepelných výměníků:
- pájené výměníky, - rozebíratelné výměníky.
U pájených tepelných výměníků jsou těsnění, přítlačné desky, stahovací šrouby i rám nahrazeny pájenými spoji. Obvykle se používají ve všech typech ohřívacích i chladících procesů, kde se vyžaduje spolehlivost a bezpečnost. Pájené výměníky tepla mají jisté unikátní vlastnosti. [2]
Mezi ty nejpodstatnější patří:
- malé rozměry a nízká hmotnost, - vysoká teplotní a tlaková odolnost, - malý vnitřní objem,
- snadná montáž a demontáž, - příznivá relace výkon /cena, - vysoká účinnost.
Rozebíratelné deskové výměníky tepla se skládají z vhodně prolisovaných desek seřazených za sebou a mezi desky je vloženo těsnění, čímž se vytvoří kanály pro průtok médií. Soubor takto složených desek je stažen šrouby do nosného rámu tak, aby odolával požadovanému provoznímu tlaku. Výměníky nacházejí uplatnění téměř ve všech průmyslových oborech. Na okraji zájmu nezůstávají ani obory vytápění a chlazení. [2]
13
Nejčastějšími aplikacemi jsou například:
- vytápění,
- příprava teplé užitkové vody, - chlazení,
- klimatizace, - vzduchotechnika,
- využívání odpadního tepla pro vytápění, - solární systémy,
- tepelná čerpadla, - ohřev bazénů.
Trubkový výměník tepla
Trubkový výměník tepla je jedním z nejrozšířenějších výměníků tepla v procesním průmyslu. Výměník je tvořen jedinou trubkou, kterou protéká chlazená kapalina. K ochlazování kapaliny dochází přestupem tepla do okolí přes stěnu trubky.
Trubkový výměník tepla je díky své robustní konstrukci vhodný pro vysokotlaké aplikace. Výměník je levnější, pokud má menší průměr pláště a delší trubky. Pokud je nutné řešit teplotní dilataci trubek, můžeme použít výměník tepla s plovoucí hlavou nebo s tzv. U-trubkami. [3]
Obr. 6 – Funkce trubkového výměníku tepla. [3]
Druhy provedení trubkových výměníků:
- výměník tepla s pevnou trubkovnicí, - výměník tepla s vlnovým kompenzátorem, - výměník tepla s U-trubkami,
- výměník tepla s plovoucí hlavou.
14
Trubka v trubce
Trubka v trubce je spolehlivý a nejjednodušší druh výměníku. Nazývá se jím výměník tepla, který má uvnitř vnější trubky jedinou trubku nebo svazek trubek. Vnitřní trubka i vnější strana mohou být do pracovního potrubí připojené tryskami. Tento tepelný výměník má větší rozměry a vyžaduje větší množství potřebného materiálu na jednotku plochy výměny tepla. U nižších teplotních rozdílů se může použít nerozebíratelné provedení. Nerozebíratelný typ je nevhodný pro údržbu, proto může být použitý pouze pro čistou látku.
Obr. 7 – Výměník tepla trubka v trubce – protiproud. [4]
15
1.2 Stratifikační nádoba
Stratifikační nádoba, nebo také zásobník, je nádrž, kde se ukládá teplá voda ve vrstvách. U hladiny je voda nejteplejší a u dna nádoby je nejstudenější. V tomto stavu voda setrvává v každé nádrži, protože se voda s rostoucí teplotou roztahuje a je tedy lehčí a plave na studenějších vrstvách. Problém nastává, pokud chceme z nádrže vodu odebírat, anebo ji do nádrže přidávat. Proud vody nádrž rozmíchá a tím dojde k ochlazení vody i u hladiny.
Aby se tomu zabránilo, je potřeba přivádět a odebírat vodu malou rychlostí a pokud možno ji dopravit do správné teplotní vrstvy. Promíchání vody je nežádoucí, neboť je rozdíl jestli se musí ohřát na určitou teplotu celá nádrž, anebo jen vrchní vrstva vody. Vrchní vrstva se ohřeje v řádu minut, ale ohřátí celé nádrže trvá hodiny, nehledě na vynaloženou energii k samotnému ohřevu.
Například pokud je v celé nádrži voda o teplotě 50°C a odebíráme ji, tak při správně fungující stratifikační nádrži je v horní části stále k dispozici voda o teplotě 50 stupňů, a pouze směrem ode dna přibývá vracející se studená voda. Díky tomu je možné odebrat celý objem nádrže vody 50°C teplé. Pokud by se voda v nádrži promíchávala s vracející se studenou vodou, tak s odebraným množstvím by teplota vody klesala. [5]
16
Obr. 8 – Porovnání stratifikačního a klasického zásobníku tepla. [6]
Na obrázku č. 8 je patrný rozdíl mezi stratifikačním a klasický zásobníkem.
Vrchní obrázek reprezentuje stratifikační nádrž a vedle něj je naznačené rozložení teploty v této nádrži. Složitější konstrukce stratifikačního zásobníku je vynahrazena rychlejším dosažením požadované teploty v místě odběru, menšími tepelnými ztrátami a stavu, kdy je voda o požadované teplotě ihned k dispozici. Nevýhodou je nutnost použití složitější vestavby a zajištění, aby se pomocí této vestavby dostala přitékající voda do vrstvy o stejné teplotě, jako je ona sama.
17
Obr. 9 – Typický rezidenční solární ohřev vody. [8]
Obrázek č. 9 zobrazuje zapojení stratifikační nádrže (zásobníku) v typickém zapojení, které využívá pro ohřev vody solární energii. Zásobník je připojen přes elektrickou pumpu k solárnímu panelu. Odvod teplé vody ze zásobníku je zpravidla připojen k její horní části, přívod chladnější kapaliny k spodní části zásobníku.
Stratifikace zajišťuje, že nejteplejší voda je k dispozici po celý den a dodává chladnější tekutinu do solárních kolektorů, což zvyšuje jejich účinnost. Studie prováděné Hollandsem a Lightstonem [9] prokázali, že nádrž využívající stratifikační uspořádání dodává o 37% více energie, než plně smíšené uspořádání odpovídající stejné velikosti nádrže.
Pro modelování tepelné akumulace energie se využívá mnoho různých simulačních prostředí. V mnoha případech se vzhledem k nedostatku podrobnějších informací provádí zjednodušení modelu. Úspěšnost tohoto procesu závisí na přesné specifikaci systému, fyzikálních a tepelných vlastností, složitostí a základními předpoklady počítačového algoritmu. Využívají se zjednodušené počítačové algoritmy ke snížení výpočetní režie a výpočetních časů. Aktuální algoritmy jsou často založeny na principu 1-D rozměru s konečným objemem, které obsahují základní modely ztráty nádrže tepla, tepelné difúze, průtoku a výtlaku vyvolané míchání. Vhodnost zjednodušeného 1-D přístupu je založena na předpokladu, že rozdělení teplot v tepelném zásobníku může být považováno za 1-D, což znamená, že teplotní gradienty existují ve vertikálním směru, ale jsou zanedbatelné ve vodorovném směru. Pokud jsou
18
tepelné ztráty přes stěny nádrže velké nebo tepelná vodivost stěn nádrže je velká, pak se dá očekávat, že související přenos tepla u stěny by měl za následek nejednotné rozložení teploty a tím vést ke vztlaku, které vyvolá mícháním kapaliny v zásobníku. [8]
Obr. 10 – Rozložení teplot ve stratifikační nádrži. [8]
Na obrázku č. 10 je znázorněno rozložení teplot ve stratifikační nádobě. Je zřejmé, že kapalina v nádobě nemá konstantní teplotu a tím dochází k úspoře energie, která se vynaloží na ohřev části nádrže a ne celé. Teplejší voda se nachází v horní části u odtoku.
Termoklina je okem neviditelná přechodová vrstva mezi dvěma vrstvami s rozdílnými teplotami vody.
Teplá voda
Studená voda Termoklina
19
Obr. 11 – Průměrná tepelná ztráta určená metodou energetické rovnováhy pro každý uzel. [8]
Průměrná míra tepelné ztráty je stanovena pomocí metody energetické rovnováhy pro každý uzel a pro celou nádrž, jak je uvedeno na obrázku č. 11, po 6 h krocích.
Je zřejmé, že průměrná tepelná ztráta je větší na začátku, protože je vysoký teplotní rozdíl mezi nádrží a teplotou okolního vzduchu. Zajímavá je průměrná tepelná ztráta pro spodní vrstvu nádrže (např. vrstva 9). Je zjištěno, že velké procento tepelné ztráty do okolí je přes spodní část nádrže. Toto je nejvíce pravděpodobné, vzhledem k tomu, že nejméně izolace je umístěno ve spodní části nádrže. Průměrná míra tepelné ztráty s časem poklesla, protože se snížil teplotní rozdíl mezi nádrží a okolím. [8]
20
Obr. 12 – Stratifikační nádrž. [7]
Obrázek č. 12 zachycuje řez stratifikační nádobou a způsob vtoku chladnější kapaliny podle její teploty. Jednotlivé vtoky jsou umístěny nad sebou a podle teploty přitékající kapaliny je vždy aktivní ten vtok, který odpovídá teplotě dané vrstvy. Tím se zamezí míchání kapaliny a její ochlazení.
21
2 Metody pro měření průběhu ohřevu v tepelném výměníku
2.1 Termočlánky
Metoda termočlánků je při mapování vývoje změn teplotního pole uvnitř stratifikačních nádob hojně využívána. Většinou se jedná o matici jednotlivých termočlánku pravidelně rozmístěných v objemu stratifikační nádoby, které jsou jednotlivě vyhodnocovány.
Termočlánek je snímač pro měření teploty. Sestává ze dvou různých kovů, které jsou spojené na obou koncích. Když je jeden spoj těchto kovů zahříván nebo chlazen, vzniká napětí závislé na rozdílu teplot na obou koncích.
Termočlánek využívá principu termoelektrického, neboli Seebeckova, jevu. Může být také používán jako spolehlivý zdroj elektrického proudu, ale jeho energetická účinnost a výkon jsou malé.
Termoelektrické teploměry bývají složeny z několika termoelektrických článků.
Patří mezi kontaktní snímače používané k dálkovému měření teploty a jejich čidlo (termoelektrický článek) převádí teplotní změnu prostředí na změnu elektrického napětí.
Seebeckův jev se projevuje u dvou vodičů A a B, u kterých je udržována teplota jejich spojů na rozdílných teplotách T1 > T2. [10]
Obr. 13 – Termoelektrický článek (termočlánek). [10]
V obvodě (obrázek č. 13) se objeví napětí a začne jím protékat proud. Seebeckův jev se tedy projeví vznikem termoelektrického napětí. [10]
Termočlánky jsou vhodné pro zjištění výhřevnosti patrony v jejím řezu. Pro to je ale nutné provést mechanický zásah do patrony, protože termočlánky je potřeba umístit blíže k výhřevné spirále. Termočlánků se takto umístí několik po celém obvodu patrony. Termočlánky nicméně nejsou vhodné pro měření průběhu ohřevu kapaliny.
Další nevýhodou je, že měřené termoelektrické napětí je malé, podle použitých dvojic materiálů od desetin voltů do jednotek voltů. Měření termočlánky je invazivní,
22
to znamená, že pro měření teploty musí být termočlánek v kontaktu s měřeným objektem.
Výhody:
- zjištění výhřevnosti topné patrony v jejím řezu, - možnost měření teploty uvnitř nádoby,
- vysoký rozsah měřených teplot.
Nevýhody:
- kontaktní měření teploty,
- nutný mechanický zásah do patrony pro měření, - nemožnost měřit průběh ohřevu vody,
- termoelektrické napětí je malé, - časová nestálost termočlánků, - závislost na magnetickém poli.
2.2 Termokamera
Měření teplotních polí pomocí termokamery je jednou z nejrozšířenějších metod měření teplot. Touto metodou se zjišťují teplotní pole na povrchu materiálů pomocí měření intenzity infračerveného záření. Termovizní systém zaznamená tuto energii bezkontaktním měřícím systémem a převede ji na elektrické signály pomocí citlivého infračerveného detektoru. Výstupem je dvourozměrný barevný nebo monochromatický
obraz tepelného pole.[11]
Termokamery převádí infračervené záření tělesa do spektra záření viditelného okem.
Toho se využívá pro:
- hledání úniků tepla z budov,
- sledování elektrických vedení a jejich poškození,
- určení poruchy vyhledáním nehomogenit teplotního pole, - neinvazivní detekci zánětů pod kůží,
- měření rozložení teploty pro účely vědy a výzkumu, - automatizaci procesů,
- detekci pohybu osob v zabezpečených objektech, - noční vidění.
23
Výstupem z termovizní kamery je infračervený snímek neboli termogram.
Radiometrické termokamery pak uživateli umožní určit teplotu v jednotlivých bodech termogramu. Určení teploty však není snadné, protože závisí na několika parametrech.
Jeden z hlavních parametrů je emisivita tělesa. Ideální černé těleso má emisivitu 1, lesklá tělesa mají emisivitu velmi malou (až 0,1). [11]
Malá emisivita tělesa většinou znamená menší přesnost měření. Do měřeného zářivého toku tělesa totiž může značným způsobem vstoupit zdánlivá odražená teplota, která ovlivňuje naměřený výsledek.
Použití termokamery pro měření této úlohy je popsáno v kapitole 3.3 Měření termokamerou.
Výhody:
- bezkontaktní měření teploty,
- měření teploty na velkých plochách, - přesné zobrazení rozložení teplot, - rychlé měření.
Nevýhody:
- měří se pouze teplota povrchu materiálu, - vliv okolí a typu materiálu na měření,
- nemožnost měření teploty uvnitř nádoby a zobrazení průběhu ohřevu vody.
Obr. 14 – Pohled na nádrž termokamerou a ve viditelném spektru.
Na snímcích č. 14 A) a B) je pohled na stratifikační nádobu zboku. Tímto vstupním měřením se dokázalo, že termokamera není vhodná pro měření úlohy.
Obrázek č. 14 A) zobrazuje snímek pořízení termokamerou a je na něm zřetelně vidět odraz infračerveného záření od povrchu plexiskla.
24
Obr. 15 – Tepelná stopa na stěně nádoby.
Každý materiál má tzv. tepelnou paměť. Důkazem je snímek č. 15, kde je na stěně stratifikační nádoby patrný obtisk dlaně. Dotykem dlaně se stěnou se změnila teplota stěny na těch místech, kde došlo ke kontaktu. Vlivem toho, že v tomto okamžiku mělo lidské tělo vyšší teplotu, než byla teplota stěny, tak se v těchto místech zvýšila i teplota samotné stěny. Vzniklé teplotní rozdíly jsme schopni změřit a zviditelnit pomocí termokamery. U stratifikační nádoby se potvrdilo, že pomocí termokamery nelze zjistit tepelné proudění uvnitř, ale pouze její povrchová teplota. Stěna stratifikační nádoby se zároveň chová jako zrcadlo, kdy plexisklo odráží asi 5% dopadajícího tepelného záření.
25
3 Model tepelného výměníku
V současné době je populární a rozšířené využití obnovitelných zdrojů pro získání elektrické i tepelné energie. Pro ohřev kapalin je vhodné využít solární energii. Tento způsob ohřevu je rozšířen jak v průmyslu, tak v domácnostech. Soustava využívající solární energii k ohřevu vody je obecně složitá a velice obtížně se navrhuje. Solární soustava využívá stratifikační nádoby a velice důležitý je návrh vnitřní struktury a prostorového rozložení vytápěcích "trubek". V mém modelu je proto soustava solárního ohřevu nahrazena elektrickými topnými patronami řízenými termostaty.
3.1 Návrh modelu
Obr. 16 – 3D model nádrže a její rozměry.
Na obrázku č. 16 A) je 3D model stratifikační nádoby s jednou topnou patronou.
Nádoba je zhotovena z plexiskla, aby byla splněna podmínka průhlednosti nádoby pro správné měření metodou pLIF.
Na obrázku č. 16 B) je pohled na stratifikační nádobu zboku včetně jejích rozměrů a uspořádání patron.
26
Obr. 17 – Stratifikační nádoba zepředu.
Na obrázku č. 17 je nákres měřené nádoby z pohledu snímacích kamer včetně rozměrů použité nádoby.
Obr. 18 – Jednotlivé uspořádání patron.
Měření se provádí se třemi možnostmi uspořádání topných patron (obrázek č. 18).
V první variantě jsou středy patron od sebe vzdáleny 30mm, ve druhé variantě 40mm a nakonec ve vzdálenosti 80mm. Jednotlivé vzdálenosti topných patron způsobují odlišné výsledky měření. Při větších vzdálenostech patron od sebe mezi nimi vznikají víry teplé a chladnější vody. Tato práce se zabývá uspořádáním patron dle varianty č. 1 na obrázku č. 18.
27
3.2 Topné patrony
Topné patrony se použily pro ohřev kapaliny v nádobě. Výběr vhodných patron probíhal vytipováním vhodných firem, které se zabývají jejich prodejem nebo výrobou.
Na základě od nich získaných informací a ceníků se provedl výběr vhodných topných patron s požadovanými parametry od firmy EasyTherm – patrony typu DW. Výhodou těchto patron je jejich rychlost ohřevu kapaliny a možnost zapojení patron přímo na síťové napětí ~ 230V. Nevýhodou je nutnost použití externích regulátorů nebo termostatů pro jejich regulaci.
Topné patrony se nejčastěji používají pro kontaktní ohřev kovových částí, kdy jsou vkládány do přesně opracovaných otvorů, jsou schopné dodávat mimořádně velký výkon při zachování malých rozměrů. Jejich robustní konstrukce je trvanlivá a velmi odolná. Kovový plášť a vnitřní těsnění chrání vnitřní topný drát před oxidací a proti mechanickému poškození. Topné patrony se vyrábějí v několika konstrukčních provedeních, které se odlišují maximální výkonovou hustotou. Jedná se o tzv. vysoko, středně a nízkovýkonová provedení. [12]
Aplikace:
- zpracování plastů a pryže, - obalová technika,
- slévárenství, zpracování barevných kovů, - dřevařská výroba,
- ohřev těles, kapalin.
Popis topné patrony DW:
Topný prvek je drát z austenitické slitiny NiCr 80-20. Má maximální provozní teplotu přibližně 1200°C a tavnou teplotu 1400°C. Topný drát je navinutý na keramickém jádru. Plášť topné patrony bývá nejčastěji zhotovený z vysokoteplotní nerezové oceli s teplotní odolností 800 až 1000°C. Patrony určené pro nejvyšší zatížení jej mají precizně broušený. Spodní disk je vodotěsně přivařený. Vnitřní prostor patrony je utěsněn jemnozrnným oxidem hořečnatým (MgO). Tento materiál má velmi dobrou teplotní vodivost a zároveň je dobrý elektrický izolant. Lankové přívodní vodiče jsou nakontaktovány buďto uvnitř nebo vně patrony. [12]
28
Obr. 19 – Topná patrona. [12]
DW patrony patří mezi topné patrony s vysokým výkonem určené pro nejnáročnější použití, kdy je potřeba dodat velký výkon při zachování malých rozměrů.
Použité materiály a konstrukce jsou voleny s ohledem na dosažení maximálního měrného výkonu. Tepelný odpor mezi vnitřní topnou spirálou a pláštěm je minimální.
[12]
Tabulka 1 – Technické parametry použitých topných patron. [12]
Max. měrný výkon 40 W/cm2
Napájecí napětí 230 V
Max. teplota pláště 750°C
Materiál pláště nerezová ocel AISI 304
Průměr (mm) 20
Délka (mm) 200
Redukce výkonu ve studeném stavu −7 % z nominální hodnoty Svodový proud (za studeného stavu) <0,1 A při 240 Vst
Izolace (za studeného stavu) >5 MΩ/500 W Dielektrická pevnost >1500 V/1 s
Patrony jsou uloženy ve stratifikační nádobě nad sebou a sleduje se průběh ohřevu vody při nastavené dané teplotě. Použité patrony mají výkon 500W.
29
3.3 Měření termokamerou
Měření pomocí termokamery se provádělo před samotným experimentem pro zjištění rozložení teplot na povrchu topných patron. Patrona byla před měřením natřena černou barvou, kvůli zmírnění odlesků při měření termokamerou. V měření se ukázalo, že patrony hřejí nejvíce ve svém středu a od středu ke konci patrony. Výrobce deklaroval rovnoměrné rozdělení teploty na povrchu patron. Měření citlivou termokamerou odhalilo neshody, které byly dále zohledněny při realizaci experimentu.
Na obou koncích se nachází oblast cca 1cm, která není vyhřívaná. Tato skutečnost byla zohledněna při umístění teplotního čidla. Sestava topné patrony, teplotního čidla byla zapojena do zpětné vazby a řízena termostatem.
Obr. 20 – Pohled na topnou patronu termokamerou.
Na obrázku č. 20 A) je zřetelně vidět rozložení teploty na povrchu topné patrony, přívodní kabely i objímka s teplotním čidlem vedoucí k termostatu. Použitá topná patrona má velice rychlý nárůst teploty.
Obrázek č. 20 B) zřetelně ukazuje, že na obou koncích topné patrony jsou nevytápěné zóny. Je na něm také vidět kovová objímka v levé části patrony držící teplotní čidlo.
30
Obr. 21 – Rozložení teploty.
Obrázek č. 21 zobrazuje rozložení teploty na povrchu patrony, je na něm vidět černá úprava patrony pro měření a znovu nevytápěné kraje patrony.
Snímky z termokamery byly upraveny v programu SmartView 3.1.89.0 od firmy FLUKE. Na obrázek č. 21 bylo použito tzv. smíšení obrazu infračerveného a viditelného záření, kde infračervené záření je aplikováno pouze na topnou patronu.
31
3.4 Pouţité termostaty
Pro ovládání topných patron bylo potřeba zvolit vhodné přístroje, které by byly jednoduché, levné a účinné. Po prohlédnutí internetu se dospělo k názoru, že není nutné použít složité regulátory, ale naprosto dostačující je použití termostatů.
Použité digitální termostaty jsou konstruovány a prodávány firmou FLAJZAR.
Obsahují mikroprocesor Microchip PIC16F631 a v balení jsou dodávány s čidlem Dallas DS18S20 s digitálním výstupem. Pro měřící účely bylo použito teplotní čidlo ke GSM-DIN2B. Teplotní rozsah čidla je – 50°C až + 125°C. Čidlo je zapojené dvouvodičově a po těchto vodičích se tedy přenáší napájení i data. Rozsah regulace teploty je nastavitelná od – 55°C do + 125°C. Přesnost v rozsahu – 10°C až +85°C je +/- 0,5°C.
Aktuální i nastavené teploty je možno zobrazit na LED displeji. Technické parametry termostatu jsou uvedeny v příloze B.
Regulace termostatu se nastavuje pomocí dvou teplot, kdy jedna udává hodnotu, kdy se výstupní relé sepne a druhá hodnota kdy se rozepne.
Řídící jednotkou digitálního termostatu je mikroprocesor Microchip PIC16F631.
Měřená aktuální teplota se zobrazuje na 4 místném LED displeji. Termostat se obsluhuje třemi tlačítky – SET, PLUS, MINUS, kterými se nastavují regulační tepoty.
Použité teplotní čidlo má digitální výstup, tudíž každá teplota odpovídá 16 bitovému slovu. Na základě tohoto faktu je možné použít teplotní čidlo pro měření teploty i ve vodě. Schéma vnitřního zapojení je umístěné v příloze C.
Obr. 22 – Digitální termostat [13].
Na obrázku č. 22 je termostat bez zapojeného teplotního čidla a bez plastové krabičky.
32
Obr. 23 – Zapojení patrony a termostatu.
Obrázek č. 23 zobrazuje zapojení topné patrony a termostatu. Topná patrona 1 je spínána pomocí relé řízeném termostatem 4 a napájena napětím ~ 230V získávaným ze zásuvky (zástrčka 5). Na patroně je umístěno teplotní čidlo 2, které slouží jako zpětná vazba do termostatu pomocí dvouvodičového vedení 3, které slouží jak pro napájení čidla, tak pro přenos naměřených hodnot. V reálném zapojení je teplotní čidlo umístěno na spodní části každé patrony.
33
4 Měřicí metody pro vyhodnocení proudění kapaliny a teplotního pole
4.1 Měřicí metoda Planar Laser Induce Fluorescence - pLIF
Metoda pLIF (Planar Laser Induced Fluorescence) je založena na použití fluorescenčního barviva, které je přidáno do měřené kapaliny. Při měření bylo použité fluorescenční barvivo Rhodamine B. Fluorescenční barvivo je nasvíceno světelným řezem generovaným laserem o tloušťce 3 milimetrů. Částice barviva v tekutině emitují světlo o rozdílné vlnové délce než je vlnová délka laserového světla. Intenzita světla emitovaného fluorescenčním barvivem je závislá na intenzitě laserového světla (v daném místě), okamžité koncentraci barviva (Rhodaminu B v daném místě) a teplotě kapaliny. Při použití úzkopásmového optického filtru, který propustí vlnovou délku světla emitovaného fluorescenčním barvivem, je možné oddělit emitovanou intenzitu světla od intenzity laseru a určit teplotu. Barevný filtr se umisťuje na objektiv kamery.
[14]
Hlavní omezení pLIF metody pro měření teploty ve vodním prostředí jsou:
1) Fluorescenční barvivo (typicky organické barvivo) musí být ve vodě rozpustné.
2) Fluorescenční barvivo musí zobrazit dostatečnou teplotní závislost při vhodném teplotním rozsahu.
3) Fluorescenční barvivo musí být fotostabilní pro experimentální podmínky, to pak přináší viditelné záření (vhodně vysoká koncentrace a laserová intenzita).
4) Absorpce a záření barviva musí být spektrálně odděleny.
5) Reabsorpce emitujícího fluorescenčního signálu musí být minimální. [16]
Na základě odborné rešerše o nejběžnějších fluoreskujících barvivech používajících se pro pLIF metodu se zjistilo, že Rhodamin B má jednu z největších teplotních citlivostí, pokud je vybuzen s běžnými laserovými zdroji jako argon-ion (488 a 514 nm) a Nd:YAG (532 nm). Rhodamin B je jedním z nejpoužívanějších fluorescenčních indikátorů pro měření teploty v proudící vodě díky jeho velké rozpustnosti ve vodě, nízké ceně, vysoké absorpci a vyzařování a jeho teplotní závislosti. [14]
34
Další barvivo ukazující dobrou rozpustnost ve vodě a nízkou cenu je Fluorescein 27 (FL27, také nazvaný Fluorescein 548; C20H10O5Cl).
V příloze D je uvedena tabulka teplotních charakteristik fluoresceinů a červeně emitujících barviv. V této tabulce jsou uvedeny druhy barviv, jejich budící vlnová délka a doporučené teplotní rozsahy, na které je lze použít. Barvivo může být nesvětlováno lasery o vlnových délkách (488 – 532)nm, nejsme tak limitováni použitím jednoho druhu laseru. Ovšem k vybranému laseru se z tabulky musí vybrat odpovídající typ barviva. [14]
Obr. 24 – Závislost intenzity vyzářeného světla na teplotě a vlnové délce. [16]
Na obrázku č. 24 je vidět, že vyšší teploty přináší celkově vyšší fluorescenci záření, které se shoduje s výsledky Coppeta a Rogers [15] pro fluorescein s buzením 514,5nm. Je vidět, že zářící (emisní) spektrum fluoresceinu se přesouvá k delším vlnovým délkám se stoupající teplotou. Tento teplotně závislý posun je detailně zobrazen na obrázku uvnitř obrázku č. 24, který zobrazuje fluorescenční záření pro teploty 24, 52 a 84°C, normalizováno maximem pro každou teplotu. Celkový rozdíl mezi špičkami fluorescence je 5nm při rozdílu teplot 60°C či přibližně 0,008nm na 1°C.
[16]
35
Obr. 25 – Absorpce a emise Rhodaminu B ve vodě. [14]
Na obrázku č. 25 je zřetelný posuv v absorbovaném a emitovaném spektru světla barviva Rhodaminu B ve vodě. Absorpce je znázorněna modře, emisivita barviva je červeně. Zelená čára zobrazuje vlnovou délku laseru. Z obrázku vyplívá, že Rhodamine B je nejcitlivější na vlnovou délku 550nm a emituje světlo o vlnové délce 590nm.
Z bakalářského projektu vypracovaného v loňském ročníku vyšlo najevo, že pro měření teploty je vhodnější barvivo Rhodamine B v koncentraci c = 0,1·10-4 % při intenzitě laseru E = 500. Při těchto parametrech má výsledná kalibrační křivka dostatečný sklon pro správné odečtení teploty. Tyto hodnoty jsou pouze pro prvotní náměry, konkrétnější nastavení laseru a vhodnější koncentraci barviva je nutné prakticky ověřit a upravit na zadanou úlohu a model.
36
Obr. 26 – Výsledné kalibrační křivky pro intenzity E = 800, E = 500 a E = 200.
Při důkladném prohlédnutí uspořádání bodů je patrné, že závislost intenzity emitovaného světla na teplotě není lineární, ale spíše klesající exponenciela.
Sklon a „ostrost“ této klesající exponenciály závisí na použité koncentraci Rhodaminu B ve vodě a intenzitě nesvětlujícího laseru.
Kalibrace pro měření byla prováděna s vloženými topnými patronami pro dosažení přesnějších výsledků. Neboť vložením předmětu do zorného pole snímaného kamerou se nám toto pole změní. Kamera bude sice snímat stejné pole s předmětem, ale zobrazí nám rozdílnou intenzitu (teplotu). Rozdíl je způsoben nasvětlením laseru, které už není po celém zobrazeném poli, protože za předmět se světlo laseru nedostane.
Kalibrační křivka se zpracovávala v programu Dynamic Studio opakovaným měřením s různými snímanými teplotami, které se přiřadí jednotlivým kalibračním snímkům - bodům. Kalibrační křivka se získala vhodným proložením těchto bodů přímkou. Jednotlivé body křivky před proložením představují nějak posunutou klesající exponenciálu. Po proložení přímkou se tyto body více či méně vzdalují od získané kalibrační přímky, tudíž dochází v určitých částech křivky ke zkreslené výsledné teploty.
E = 800
E = 500
E = 200
37
Naměřená hodnota pomocí laseru a kamery se pak může lišit od reálné teploty naměřené teplotní sondou od pár desetin stupňů po celé stupně. Někdy je proto výhodné nepoužít celý teplotní rozsah, pro který se křivka sestrojila, ale jen část. Touto změnou můžeme docílit zvýšení sklonu kalibrační křivky a tím také přesnosti na úkor zmenšeného měřitelného teplotního rozmezí.
Pro měření s minimálními chybami je důležité dodržovat určité zásady:
- světelná rovina laserového světla by měla osvítit v řezu celou nádrž, - kamera musí snímat vhodnou část nádrže s minimálním okolním rušením, - nádrž musí být, alespoň ve směru ke kameře a laseru, čistá a průhledná,
- eliminace lesklých ploch na nádrži a okolí – při nasvětlení nádrže laserem by docházelo k odrazům světla a vznikům zkreslení,
- eliminace odrazu laseru od vodní hladiny – část nádrže nad vodní hladinou stačí přelepit černou páskou.
38
4.2 Měřicí metoda Particle Image Velocimetry - PIV
Měřící metoda PIV (Particle Image Velocimetry) měří rychlosti proudícího média.
Její princip je založen na zaznamenání posunutí malých částic unášených proudem a na následném vyhodnocení tohoto posunu. Ve sledované oblasti proudového pole jsou částice osvětleny dvěma případně několika krátkými laserovými pulsy generovanými s definovaným časovým odstupem. Laserové záření je speciální optikou vytvarováno do osvětlující roviny. Polohy částic v této rovině jsou zaznamenány na médium citlivé na světlo, jako je fotografický film nebo CCD detektor kamery. [17]
Záznam PIV obrazů
Typické uspořádání metody PIV je znázorněno na obrázku č. 27. Laserový paprsek je válcovou optikou formován do tzv. laserového řezu. Laserový řez definuje osvětlenou měřící rovinu v proudovém poli. Částice unášené proudem, v této rovině rozptylují světlo do objektivu kamery nebo fotoaparátu. Optická osa objektivu je kolmá k laserovému řezu a objektová rovina objektivu je s ním totožná. Částice nacházející se v objektové rovině jsou promítnuty do obrazové roviny objektivu a zaznamenány CCD maticovým detektorem kamery nebo na film fotoaparátu. Na pořízeném záznamu kamery se částice jeví jako světlé skvrny na tmavém pozadí.
Obr. 27 – Typické uspořádání PIV metody. [17]
Laserový řez není obvykle osvětlen spojitě, ale pouze po krátký čas tak, aby bylo možné zaznamenat okamžitou polohu částic v definovaném čase. Z tohoto důvodu se
39
s výhodou používají pulsní lasery, které osvětlují měřící rovinu pouze po dostatečně krátký čas pro „ostré“ zaznamenání okamžité polohy částic (poloha částic se během osvětlení nemění) a přitom poskytují dostatečný velký světelný výkon pro expozici obrazu.
Pro vlastní měření je nutné pořídit minimálně dva záznamy s definovaným časovým odstupem. Na prvním záznamu je pak zachycena počáteční poloha částic, na druhém jejich koncová poloha a oba záznamy tak nesou informaci o vektorech posunutí částic v měřící rovině. [17]
40
5 Návrh a uspořádání experimentu
Pro vlastní měření a splnění zadání je nutné snímat dvě oblasti stratifikační nádoby. Oblast 1 je v okolí topné patrony a oblast 2 obsahuje celou nádobu.
Pro docílení těchto požadavků by byla potřeba kamera, která by se po jednotlivých měřeních přesouvala mezi těmito snímanými oblastmi. Pro zjednodušení měření se tedy dají použít dvě kamery, z nichž první je trvale zaměřena na oblast 1 a druhá na oblast 2 (obrázek č. 28).
Obr. 28 – Snímané části stratifikační nádoby.
Pro použití těchto kamer se navrhly dvě varianty pro jejich uspořádání znázorněné na obrázcích č. 29 a 30.
41
Obr. 29 – První možnost uspořádání kamer.
Tato možnost, kdy jednotlivé kamery jsou totožné, vyžaduje pro dosažení správného snímání daných oblastí různé vzdálenosti obou kamer od snímané nádoby.
Přičemž kamera pro detail patrony zasahuje do snímané oblasti kamery pro snímání celé nádoby.
Obr. 30 - Druhá možnost uspořádání kamer.
Kvůli nevhodnému uspořádání kamer, zobrazeném na obrázku č. 29, se jeví jako výhodnější použití druhé možnosti uspořádání zobrazeném na obrázku č. 30.
42
Tato varianta, kdy obě kamery jsou ve stejné vzdálenosti od snímané stratifikační nádoby, ovšem vyžaduje použití většího objektivu pro získání detailu v okolí topné patrony. Měření nakonec probíhalo každou kamerou zvlášť.
Dále bylo nutné zajistit, aby se laserový paprsek vyzařovaný z jedné strany dostal i do oblasti za topnou patronou a eliminoval se tak vzniklý stín za každou z patron.
V těchto oblastech nelze správně vyhodnocovat teplotu, neboť oblast není osvětlena laserovým světlem nutným k nasvícení Rhodaminových částic ve vodě. Tento problém je nastíněn na obrázku č. 31.
Obr. 31 - Stín vzniklý za každou z patron.
Kvůli těmto stínům nelze provést správné měření teplot v okolí patron ani v celé nádobě, neboť vlivem stínění by byly pruhy stínů po celé nádobě a měření bylo znehodnoceno. Tento problém se dá částečně odstranit použitím zrcátek za snímanou nádobou (obr. č. 32), čímž se odražený laserový řez dostane i do oblasti za patronou a stíny se tím eliminují. Touto metodou se nedocílí získání rovnoměrného nasvícení oblastí laserovým řezem, ale umožní se v těchto oblastech provádění měření. Správné měření teplot i při nerovnoměrném rozložení intenzity laserového řezu se v tomto případě dá provést při správném provedení kalibrace, kde se již tyto nerovnoměrnosti budou uvažovat a měřit s nimi.
43
Obr. 32 – Částečná eliminace stínů vzniklých za topnými patronami.
Pro měřící účely se použil laser Nd:4A6, 4 třída nebezpečnosti, pulzní laser o vlnové délce 532 nm, dále kamera DANTEC DYNAMICS, model: C4742-53-12NRB a čerpadlo s termostatem LAUDA master PROLINE RP845.
5.1 Výpočet a stanovení koncentrace při měření metodou pLIF
Metoda pLIF pracuje na principu úplně rozpuštěného fluorescenčního barviva v pracovní kapalině. Přesná koncentrace barviva je určena minimální a maximální hodnotou teploty v daném teplotním poli. Teplotní maximum a minimu je při časovém vývoji proměnné a je tudíž nutný odhad předem. Na základě znalosti těchto vstupních podmínek je připravena přesná koncentrace pro teplotní rozsah (5 – 40)°C odpovídající kalibrační křivce pro koncentraci 0,1·10-4 %.
Při výpočtu byl uvažován celkový objem kapaliny v objemu modelu, tzn. objem kapaliny uvnitř nádrže modelu, přívodních hadic a nádoby termostatu a čerpadla.
daná celk
c
c
V V c
, kdecdaná … je okamžitá koncentrace roztoku [g/l], c … je požadovaná koncentrace [g/l],
Vcelk … je objem kapaliny v nádrži, v hadicích a čerpadlu [l].
44
K dispozici byla daná koncentrace roztoku cdaná = 0,1g/l = 0,01%, přičemž požadovaná koncentrace c = 0,1·10-4 %. Celkový objem kapaliny v nádrži, v hadicích a v čerpadlu je Vcelk = 33 [l]. Dosazení hodnot do vzorce V ml
c 33
01 , 0
33 10 1 ,
0 4
.
Pro získání požadované koncentrace je potřeba 33ml koncentrovaného roztoku barviva.
45
6 Výsledky měření
Měření se provádělo v následujících krocích:
- měření náběhu ohřevu, - ustálený stav po 5 minutách, - ustálený stav po 10 minutách.
Stejně se postupovalo při použití metody PIV i pLIF, metodou PIV se poté ještě provedlo měření ohřevu celé stratifikační nádoby. Na závěr proběhlo ověřovací měření, kdy se měřily postupně všechny patrony.
Termostaty byly nastaveny na rozmezí (38 – 40)°C, to znamená, že při dosažení teploty 40°C termostat přeruší napájení pro patronu a při poklesu teploty pod 38°C znovu patronu sepne. Vzhledem k rychlostem ohřevu patron a měření teploty povrchu patron, kdy termostat prováděl měření ve dvou vteřinových intervalech, mohlo dojít k překročení teploty 40°C i o 5°C. Tento fakt ale na samotné měření neměl žádný vliv.
Kamera byla při měření metodou PIV nastavena na double frame mode, kdy měření probíhá při dvojitém záblesku laseru o daném časovém rozestupu. Měření metodou pLIF na single frame mode, kdy při jednom záblesku je pořízen jediný záznam. Doba expozice byla u obou metod stejná, a to 132,1 mikrosekund.
Obr. 33 – Pohled na patrony v reálu a pomocí kamery.
Na obrázku č. 33 je v levé části zobrazeno reálné uspořádání patron, toto uspořádání se snímalo kamerou otočenou o 90° kvůli přehlednějšímu a snazšímu
46
zpracování dat. Veškeré zpracované obrázky jsou proto otočené o 90°! Měření se provádělo pro nejmenší rozteč patron, vzájemné vzdálenosti jejich středů jsou 30 mm.
Nejprve se použila metoda PIV, touto metodou se provedlo měření detailu patron pro požadované počáteční teploty 5°C, 10°C a 15°C a měření celkového pohledu na nádobu pro počáteční teplotu 5°C. Naměřené hodnoty se zpracovávali funkcí Cross-Corellation s parametrem (Interrogation Areas) (32 x 32)pixelů a pro detail patron a (64 x 64)pixelů pro celkovou nádrž.
Metodou pLIF se měřil ohřev vody s počátečními teplotami 5°C, 10°C a 15°C.
47
6.1 Vyhodnocení průběhu ohřevu metodou pLIF
Vyhodnocení průběhu ohřevu probíhalo porovnáním snímků ohřevu pro jednotlivé počáteční teploty vždy v jednotný čas. Výběr časů z celkového měření byl zvolen tak, aby snímky dostatečně zobrazovaly změny teplot.
Obr. 34 – Ohřev v čase t = 0s při počáteční teplotě To = 5°C, 10°C a 15°C.
Obrázek č. 34 znázorňuje ohřev při měření metodou pLIF. Vybrané snímky zobrazují klidový stav v čase t = 0s, to reprezentuje situaci těsně před spuštěním patron, dále je v textu značeno To. U všech patron bylo potřeba určit počáteční čas t = 0s a od těchto obrázků se odvíjí výběr ostatních obrázků při zachování kroku 48s.
48
Obr. 35 – Ohřev v čase t = 48s při počáteční teplotě To = 5°C, 10°C a 15°C.
Čas t = 48s = 0,8min znázorňuje prvotní počátky průběhu ohřevu (obrázek č. 35).
Pro počáteční teplotu To = 5°C je zřetelně vidět, jak proud teplé stoupající vody se vychyluje směrem k vnitřní přepážce v nádrži. Na obrázcích jsou patrné vzniklé vírové struktury.
49
Obr. 36 – Ohřev v čase t = 288s při počáteční teplotě To = 5°C, 10°C a 15°C.
V čase t = 288s = 4,8min (obrázek č. 36) i v čase t = 624s = 10,4min (obrázek č. 37) je vidět, že topná patrona č. 2 přestává topit. Veškeré elektrické zapojení bylo překontrolováno a nebyla nalezena žádná chyba. Po skončení měření bylo provedeno kontrolní měření viz. kapitola 6.2.4 Detail proudění topných patron, kde se ověřila funkčnost všech patron. Nakonec se dospělo k názoru, že stoupající proud teplé vody od patrony č. 1 ovlivňuje teplotní čidlo patrony č. 2 a tím dochází k jejímu vypnutí, neboť ovlivněné čidlo generuje signál s dosaženou teplotou pro vypnutí napájení této topné patrony. Veškerá proudění byla laminárního typu – nedocházelo k výraznějším rozdílům tlaků, které by způsobily turbulentní proudění.
O
50
Obr. 37 – Ohřev v čase t = 624s při počáteční teplotě To = 5°C, 10°C a 15°C.
Ze zpracovaných snímků se vybrali takové, aby byla u všech 3 počátečních teplot dodržena časová posloupnost snímků od klidového stavu těsně před spuštěním topných patron po dosažení teploty vody cca 25°C. Na těchto vybraných snímcích se vybrala oblast, pro všechny snímky stejná, pro získání teplotního profilu (obrázek č. 38).
Tato oblast byla pro vyhodnocení teplotního profilu vybrána orientačně a pro potřeby simulačního modelu lze profil vyhodnotit v libovolném místě.
51
Obr. 38 – Umístění teplotního profilu (To = 15°C, t = 0s).
Obr. 39 – Rozložení teplot ve zvoleném teplotním profilu (To = 15°C, t = 0s).
Po zvolení oblasti pro umístění teplotního profilu se funkcí Profile Plot získaly grafy rozložení teplot v daných profilech, viz. obrázek č. 39. Hodnoty z těchto grafů byly vyexportovány do Excelu a pro každý snímek byl proveden výpočet průměrné teploty, minimální a maximální teploty. Výsledné hodnoty se zakreslily do 3 grafů pro jednotlivé počáteční teploty – obrázek č. 40. Tím se získaly grafy znázorňující průběh ohřevu pro dané počáteční teploty. V grafech je zeleně znázorněna průměrná teplota a od ní jsou zobrazené maximální a minimální naměřené teploty. Pro lepší představu doby trvání ohřevu je na vodorovné ose uveden čas v minutách.
52
Obr. 40 – Grafy průběhů ohřevů pro dané počáteční teploty.
Z grafů je patrné, že nejdéle trvá ohřev pro počáteční teplotu To = 5°C, což byl také očekávaný výsledek.
Pro porovnání průběhu ohřevu se umístily všechny grafy do jednoho viz. obrázek č. 41. Na něm je patrné, že sklony jednotlivých křivek průběhu ohřevu jsou velice podobné, měli by být stejné. Odlišnosti ve sklonu mohou být způsobeny výběrem umístění teplotního profilu i výběrem snímků.
Obr. 41 – Porovnání průběhu ohřevu pro různé počáteční teploty.
Na výsledky měření metodou pLIF mohou mít vliv také místy se vyskytující bublinky, nejvíce se bublinky uchycovaly na patroně č. 2, která byla pro potřeby měření termokamerou natřena černou barvou. Díky tomuto nátěru se změnil povrch patrony, získal větší pórovitost, a proto se bublinky na povrchu snáze udržely.
53
Odstranění bublinek se zkoušelo, částečně úspěšně, pomocí ultrazvukové sondy ponořené do vody. Během ohřevu ulpívaly bublinky převážně na patronách, místy i na stěnách.
54
6.2 Vyhodnocení rychlosti a průběhu proudení metodou PIV
Pro kvalitativní a kvantitativní popis průběhu proudění vzniklého tepelnou konvekcí byla použita metoda PIV. Pro sledování proudění v těsném okolí topných patrony byly nasazeny fluorescenční částice typ PS-FRAK distribuce velikostí (1 – 20) µm, povrstvené Rhodaminem B.
Měření metodou PIV probíhalo obdobně jako u metody pLIF. Bylo rozděleno na 3 části, kde se vyhodnocoval průběh ohřevu pro různé počáteční teploty To = 5°C, 10°C a 15°C. Rychlosti v klidovém stavu před spuštěním patron se pohybovaly v rozmezí (100 – 400)μm/s. Pro měření byla použita vždy jedna kamera místo plánovaných dvou, neboť měření proudění a ohřevu celé nádoby stačilo pouze jednou.
Naměřené snímky bylo pro potřeby zobrazení a vyhodnocení nutné převést na vektorové mapy.
Veškerá proudění byla laminárního typu – nedocházelo k výraznějším rozdílům tlaků, které by způsobily turbulentní proudění.
55
6.2.1 Sledování vzniku a vývoje proudění metodou PIV
Obrázky č. 42, 43 a 44 zachycují náběhy proudění pro jednotlivé počáteční teploty ve zvolených časech t = 1s, 5s a 10s. Jednotlivé obrázky zobrazují stavy ohřevu v jednotném čase pro každý z obrázků.
Obr. 42 – Průběh proudění v čase t = 1s při počáteční teplotě To = 5°C, 10°C a 15°C.
Obr
V čase t = 1s (obrázek č. 42) dosahovaly rychlosti proudění hodnot kolem v = 10mm/s pro počáteční teploty To = 5°C a To = 15°C. Pro teplotu To = 10°C se rychlosti pohybovaly kolem 7mm/s. Od tohoto času se rychlost proudění začala navyšovat na desítky milimetrů za sekundu a po pár sekundách postupně klesala.
56
Obr. 43 – Průběh proudění v čase t = 5s při počáteční teplotě To = 5°C, 10°C a 15°C.
V čase t = 5s jsou patrné vznikající víry v prostoru nad patronami. Za tuto dobu proud teplé vody vystoupal do výšky hp1 = 55mm u To = 5°C, hp2 = 45mm u To = 10°C a hp3 = 43mm u To = 15°C.
57
Obr. 44 – Průběh proudění v čase t = 10s při počáteční teplotě To = 5°C, 10°C a 15°C.
Obrázek č. 44 zachycuje proudění od topných patron v čase t = 10s. Proud teplé vody vystoupal mimo snímaný úsek. Během průběhu proudění stále vznikaly a zanikaly nové vírové struktury.
V počátečních fázích měření se rychlosti proudění pohybovaly v desítkách milimetrů za sekundu, s rostoucí teplotou okolní vody rychlost klesala na jednotky milimetrů za sekundu. Tento rozdíl je způsoben měnícím se teplotním gradientem mezi teplou a chladnější vodou. Zpočátku je gradient vysoký, teplá voda stoupá k hladině rychleji, protože je lehčí a snázeji plave na studenějších vrstvách. S rostoucí teplotou chladnější vody se rychlost stoupání teplé vody zpomaluje, protože již není vytlačována takovou silou.
58
6.2.2 Vyhodnocení ustálení proudění metodou PIV
Součástí měření bylo také vyhodnocení ustálení proudění v ohřívané kapalině.
Měření se provádělo po 5 minutách a po 10 minutách pro jednotlivé počáteční teploty.
Ani po těchto časech nedošlo k výraznému ustálení proudění.
Obr. 45 – Ustalování proudění v čase t = 5min pro poč. teploty To = 5°C, 10°C a 15°C.
59
Obr. 46 – Ustalování proudění v čase t = 10min pro poč. teploty To = 5°C, 10°C a 15°C.
Obrázky č. 45 a 46 zobrazují ustalování proudění pro jednotlivé počáteční teploty.
Měření těchto průběhů se provádělo v časech 5 minut a 10 minut od počátku spuštění patron. Během těchto měření se vytvořilo několik desítek snímků, z nich se vytvořily vektorové mapy a pro danou počáteční teplotu se vytvořila pomocí funkce vektorové statistiky vždy jedna celková vektorová mapa. Proto zobrazené vektorové mapy ukazují stav proudění v daném čase pouze obecně, neboť během měření stále docházelo ke změnám proudění. Tyto změny jsou podrobněji zobrazeny pro To = 5°C v příloze E a F, pro To = 10°C v příloze G a H, pro To = 15°C v příloze I a J. Systém nebyl ustálen ani po 10 minutách běhu.
60
Obr. 47 – Skalární mapa ustalování proudění v čase t = 5min.
61
Obr. 48
–
Skalární mapa ustalování proudění v čase t = 10min.Obrázky č. 47 a 48 zobrazují ustalování proudění v časech t = 5min a 10min.
Oproti předchozímu vektorovému zobrazení je toto zobrazení pomocí tzv. skalární mapy, kde jednotlivé barvy zobrazení znázorňují jednotlivé rychlosti proudění.
Z obrázků je patrné, že rychlost proudění se s rostoucím časem ohřevu snižuje.
62
6.2.3 Vývoj proudění uvnitř modelu - celkový pohled – metodou PIV Pomocí dalšího měření bylo potřeba zjistit průběh a vývoj proudění v celé nádrži.
Měření probíhalo po 5, 10 a 20 minutách.
Obr. 49 – Ustalování proudění – pohled na celou nádrž.
Na obrázku č. 49 je znázorněné ustalování proudění při pohledu na celou nádobu.
Nejdůležitější oblast obrázků je vyznačená vlevo nahoře, kde dochází k proudění vody kolem vnitřní přepážky. Průběh tohoto proudění je ovlivněn i vnitřní konstrukcí stratifikační nádoby. Vlivem ohřevu a stoupání teplé vody zde dochází k „nasávání“
chladnější vody z prostoru nádoby za přepážkou. V počáteční fázi měření, kdy byla voda vychlazena na To = 5°C, bylo toto proudění velice rychlé. Rychlosti se pohybovali v rozmezí od 8mm/s do 12mm/s. Tyto rychlosti odpovídají i rychlostem proudění v dané oblasti v čase t = 5min.
63
V čase t = 10min se rychlosti proudění pohybovali v rozmezí 4mm/s až 8mm/s.
S rostoucí teplotou okolní vody a klesajícím teplotním gradientem mezi studenou a teplou vodou klesá i rychlost proudění.
V čase t = 20min rychlosti proudění klesly, v dané oblasti se pohybovaly od 2mm/s do 5mm/s. V tomto čase docházelo k postupnému vyrovnávání teplot v nádobě. V ideálním případě, kdy je voda v nádrži rovnoměrně ohřátá, by proudění ustalo úplně. Teplotní gradient mezi teplejší s chladnější vodou by byl nulový.
Obr. 50 – Ustalování proudění – pohled na celou nádrž vyhodnocení rychlosti jako skalární veličiny.
Na obrázku č. 50 jsou zobrazeny pohledy na celou nádrž pomocí funkce skalar plot. Tato funkce barevně znázorňuje rychlosti v jednotlivých místech.
64
6.2.4 Detail proudění v okolí jednotlivých topných patron
Pro lepší představu chování proudění ohřáté vody kolem topných patron bylo provedeno měření, kdy se měřil náběh proudění pro každou patronu zvlášť. Výsledné vektorové mapy jsou zobrazeny na obrázcích č. 51, 52 a 53.
Obr. 51 – Zobrazení proudění od jednotlivých patron v čase t = 1s.
Pro čas t = 1s je patrné, obzvlášť pro druhou a třetí patronu, že měření patron probíhalo v krátkých časových intervalech. To je znázorněno tím, že kolem patron již
65
proudění zbytkové teplejší vody z předchozího měření probíhá. Tento fakt ovšem neměl na kontrolní měření takový vliv.
Obr. 52 – Zobrazení proudění od jednotlivých patron v čase t = 5s.
V čase t = 5s je u první a druhé patrony vidět rozdělení proudu ohřáté vody a obtékání dalších patron. Toto rozdělení bylo zpočátku přibližně poloviční pro obě strany, ale v průběhu se proud na jedné straně patrony zmenšil, ustal. Výsledný způsob proudění byl z mého pohledu víceméně náhodný. U patrony č. 2 je patrný vznik vírových struktur po obou stranách mezer mezi touto patronou a patronou č. 3.
