Uudet mittausinnovaatiot nopeaan sekoitukseen liittyen Sami Siikanen FiberTech-seminaari, Savonlinna, 20.9.2018 17.9.2018 VTT beyond the obvious 1
Sisältö 1. Nestesekoitustutkimus Savonlinnan Kuitulaboratoriolla 2. Suurnopeuslämpökuvaus safiiri-ikkunan läpi sähköisen impedanssitomografian yhteydessä 3. Mikroskooppioptiikan käyttö 4. Sekoitusindeksituloksia 5. Johtopäätökset 17.9.2018 VTT beyond the obvious 2
Nestesekoitustutkimukset - Tehokas sekoitus on tärkeä osa teollisuusprosesseja - Hidas sekoitus tankeissa on melko hyvin tunnettua ja kontrolloitua tekniikkaa - Nopeat sekoitusilmiöt putkistoissa eri vaiheineen ovat sen sijaan vähän tunnettuja ja riittämättömästi kontrolloituja 17.9.2018 VTT beyond the obvious 3
Suurnopeuslämpökuvaus Tavoitteena oli käyttää lämpökuvausta Kuitulaboratorion putkisekoituksen koelaitteiston sekä EIT-mittauksen osana. Mittaajat Sami Siikanen (VTT); Marko Rasi, Emmi Kallio ja Jari Käyhkö (Kuitulaboratorio); Mika Mononen (RocSole Oy), sekä Kuitulaboratorion laboratoriohenkilöstö Mittauslaitteisto Staattisen putkisekoituksen koelaitteisto Kylmä vesi (noin 7 C) kiersi pääputkessa, johon oli asennettu 1 cm läpimittainen safiiri-ikkuna lämpökuvausta varten Sekoitettavana kemikaalina toimi kuuma vesi (noin 50 C), sekoittimena Kuitulaboratorion Trumpjet-injektori RocSole/Outotec EIT-tomografia-anturi Cedip Titanium korkean suorituskyvyn lämpökamera (VTT), jossa 25 mm optiikka 17.9.2018 VTT beyond the obvious 4
Suurnopeuslämpökuvaus Kuvattiin 30 sekunnin jakso IRvideota. 30 sekuntia ennen jakson alkua päävirtaan oli aloitettu sekoittaa kemikaalia. IR-videolla nähdään kemikaalilampareita, mikä kertoo siitä että kemikaalina toimiva kuuma vesi on jakautunut mutta ei sekoittunut. IR-video4 (13-kertaisesti hidastettu): kuvankaappausnopeus 328 Hz, integrointiaika 1600 µs: 17.9.2018 VTT beyond the obvious 5
Suurnopeuslämpökuvaus Sinisen ympyrän sisällä olevien pikseleiden keskilämpötila ajan funktiona ~1 C 17.9.2018 VTT beyond the obvious 6
Mikroskooppioptiikan käyttö Tavoitteena oli kokeilla korkean suorituskyvyn lämpökuvauksen soveltuvuutta nopeiden sekoitusilmiöiden havainnointiin. Mittaajat Sami Siikanen (VTT), Marko Rasi (FiberLaboratory); avustajana/valvojana Jussi Matula (Wetend Technologies Oy) Mittauslaitteisto: Cedip Titanium korkean suorituskyvyn lämpökamera (VTT) + eri optiikoita Safiirilaseja Alumiini- ja teräslevyjä Vesiämpäri, johon sekoitettiin vesi- ja CPAMannoksia 17.9.2018 VTT beyond the obvious 7
Mikroskooppioptiikan käyttö Ämpärin veden lämpötila on noin 21 C. Veden pinnassa on kiinni 2 mm paksuinen teräslevy (osittain mattamusta, osittain kiiltävä), jonka alle ruiskutetaan pipetillä 0,1 ml vettä, jonka lämpötila on noin 31 C. 17.9.2018 VTT beyond the obvious 8
Mikroskooppioptiikka Ämpärin veden lämpötila on noin 21 C. Veden pinnassa on kiinni 2 mm paksuinen teräslevy (osittain mattamusta, osittain kiiltävä), jonka alle ruiskutetaan pipetillä 0,1 ml vettä, jonka lämpötila on noin 31 C. IR-video95 (hidastettu, 1 min): kuvankaappausnopeus 328 Hz, integrointiaika 2 ms: 17.9.2018 VTT beyond the obvious 9
Sekoitusindeksituloksia Safiiri-ikkunan lämpötilojen keskiarvon ja keskihajonnan avulla laskettiin sekoitusindeksi, joka kuvaa sekoituksen onnistumista. Sekoitusindeksi = keskihajonta/keskiarvo Mitä pienempi sekoitusindeksin arvo on, sitä paremmin nesteet ovat sekoittuneet. 17.9.2018 VTT beyond the obvious 10
Sekoitusindeksituloksia IR-video Päävirta, Kemikaalivirta, Injektiovirta, Sekoitusvirta, Keskiarvo, Keskihajonta, Sekoitusindeksi l/s l/s l/s l/s C C =KHaj/KArv video20 50 1 2,6 2 17,96 0,11 0,62 % video21 50 1 2,5 1,5 18,88 0,25 1,33 % video22 50 1 2,5 1 19,17 0,26 1,33 % video23 50 1 2,5 0,5 19,40 0,20 1,01 % video19 50 1 2,6 0 17,41 0,21 1,18 % video26 17 0,34 1,5 0 20,20 0,15 0,75 % video27 17 0,34 1,5 1 20,58 0,04 0,19 % video28 17 0,34 1,5 1,5 20,69 0,06 0,29 % video30 94 1,75 4,8 0 21,86 0,05 0,25 % video31 94 1,75 4,8 0,5 22,38 0,03 0,13 % video32 94 1,75 4,8 1 22,91 0,03 0,13 % video33 94 1,75 4,5 1,9 23,79 0,04 0,18 % video34 94 1,75 7,2 2 25,30 0,16 0,64 % video35 94 1,75 7,2 1,5 25,65 0,19 0,73 % video36 94 1,75 7,2 1 26,15 0,20 0,77 % video37 94 1,75 7,2 0,5 26,68 0,19 0,72 % video38 94 1,75 7,2 0 27,22 0,18 0,65 % 17.9.2018 VTT beyond the obvious 11
Sekoitusindeksituloksia Sekoitus onnistui parhaiten eli sekoitusindeksi oli pienin miltei aina kun Trumpjet-injektorin sekoitusvirtaus oli käytössä. Päävirtauksen ja injektiovirran suurentaminen -> 7,2 l/s vaikeuttivat lämpökuvantamista. Lämpökuvantaminen ei sovellu kaasukuplien mittaukseen. 17.9.2018 VTT beyond the obvious 12
Johtopäätökset Korkean suorituskyvyn lämpökamera soveltuu hyvin nopeiden sekoitusilmiöiden havainnointiin. Mittaus voidaan tehdä sekä safiiri-ikkunan, alumiiniputken että teräsputken läpi. Alumiiniputki sopii kuvantamiseen paremmin kuin teräsputki, koska lämpö johtuu nopeammin alumiinin läpi. Huonona puolena lämpökuvauksessa on sen pintamittausominaisuus: vain 10 ensimmäistä atomi/molekyylikerrosta nähdään. Syvälle nesteeseen ei nähdä. Oikean emissiivisyyden määritys on tärkeää. Putket on syytä maalata mattamustiksi tai käsitellä ne niin että emissiivisyys on lähellä ykköstä. Jatkossa voitaisiin kokeilla kämmenen kokoisen alueen mittaamista isosta putkesta. Putkimateriaalit voisivat olla alumiinia ja terästä. 17.9.2018 VTT beyond the obvious 13
Kiitos! 17.9.2018 VTT beyond the obvious 14