Uudet mittausinnovaatiot nopeaan sekoitukseen liittyen

Uudet mittausinnovaatiot nopeaan sekoitukseen

liittyen

Sami Siikanen

FiberTech-seminaari,

Savonlinna, 20.9.2018

Sisältö

1. Nestesekoitustutkimus Savonlinnan Kuitulaboratoriolla 2. Suurnopeuslämpökuvaus safiiri-ikkunan läpi sähköisen

impedanssitomografian yhteydessä 3. Mikroskooppioptiikan käyttö

4. Sekoitusindeksituloksia 5. Johtopäätökset

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

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

Suurnopeuslämpökuvaus

Kuvattiin 30 sekunnin jakso IR- videota.

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:

Suurnopeuslämpökuvaus

Sinisen ympyrän sisällä olevien pikseleiden keskilämpötila ajan funktiona

~1°C

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

Mikroskooppioptiikan käyttö

Ämpärin veden lämpötila on noin 21°C. Veden pinnassa on kiinni 2 mm paksuinen teräslevy (osittain mattamusta, osittain kiiltävä), jonka alle ruiskutetaan pipetillä0,1 ml vettä, jonka lämpötila on noin

Mikroskooppioptiikka

min): kuvankaappausnopeus 328 Hz, integrointiaika 2 ms:

• 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.

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.

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 %

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.

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.

Kiitos!