technická univerzita v liberci vizualizace a měření proudění přes

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA – CENTRUM POKROČILÉ SANAČNÍ
TECHNOLOGIE A PROCESY
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
VIZUALIZACE A MĚŘENÍ PROUDĚNÍ PŘES
NANOVLÁKENNÉ FILTRY POMOCÍ
LASEROVÝCH METOD
(STUDIE PROVEDITELNOSTI)
PETR ŠIDLOF (NTI FM)
DARINA JAŠÍKOVÁ (RSS FM)
JAKUB HRŮZA (KNT FT)
MICHAL KOTEK (RSS FM)
20.6. 2008
 TUL 2008
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
VIZUALIZACE A MĚŘENÍ PROUDĚNÍ PŘES NANOVLÁKENNÉ
FILTRY POMOCÍ LASEROVÝCH METOD
(STUDIE PROVEDITELNOSTI)
Petr Šidlof (NTI FM)
Darina Jašíková (RSS FM)
Jakub Hrůza (KNT FT)
Michal Kotek (RSS FM)
OBSAH
SHRNUTÍ................................................................................................................................................. 2
1
ÚVOD ............................................................................................................................................... 3
1.1
1.2
2
USPOŘÁDÁNÍ MĚŘENÍ .................................................................................................................. 4
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
3
MĚŘÍCÍ TRAŤ ............................................................................................................................... 4
AERODYNAMICKÝ KANÁL .............................................................................................................. 5
HYDRODYNAMICKÝ KANÁL ............................................................................................................ 5
ČÁSTICE ..................................................................................................................................... 6
USPOŘÁDÁNÍ PIV A TLAKOVÝCH SNÍMAČŮ..................................................................................... 7
POUŽITÉ VZORKY FILTRAČNÍCH MATERIÁLŮ ................................................................................... 7
POSTUP MĚŘENÍ............................................................................................................................ 8
3.1
3.2
3.3
4
EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM KVALITY A ÚČINNOSTI FILTRŮ................................................................. 3
ZÁKLADNÍ PRINCIPY PIV............................................................................................................... 3
AERODYNAMICKÝ KANÁL .............................................................................................................. 8
HYDRODYNAMICKÝ KANÁL ............................................................................................................ 8
POUŽITÍ PIV APARATURY PRO STUDIUM POHYBU ČÁSTIC V OKOLÍ FILTRU ........................................ 8
VÝSLEDKY MĚŘENÍ ..................................................................................................................... 12
4.1
4.2
MĚŘENÍ VE VZDUCHOVÉM KANÁLU .............................................................................................. 12
MĚŘENÍ VE VODNÍM KANÁLU ....................................................................................................... 15
5
DISKUZE A ZÁVĚR....................................................................................................................... 18
6
DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ VÝZKUM .......................................................................................... 19
6.1
6.2
6.3
SMĚŘOVÁNÍ VÝZKUMU ............................................................................................................... 19
ÚPRAVY APARATURY A MĚŘÍCÍHO ŘETĚZCE ................................................................................. 19
VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ .......................................................................................................... 19
PODĚKOVÁNÍ ...................................................................................................................................... 19
REFERENCE ........................................................................................................................................ 19
1
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
SHRNUTÍ
Zpráva obsahuje popis aparatury umožňující vizualizaci a měření proudění přes klasické a
nanovlákenné filtry (ve vodním i aerodynamickém kanálu), která byla nově navržena a sestavena.
Oproti klasickým metodám pro posuzování účinnosti filtrů tato aparatura umožňuje vizualizovat a
kvantifikovat lokální vlastnosti a prostorové nehomogenity filtrů, sledovat vývoj vlastností filtrů v čase a
zkoumat pohyb částic v bezprostřední blízkosti filtru.
Ve zprávě jsou shrnuty první výsledky měření při filtrování částic ze vzduchu i vody, zkušenosti
získané při zkouškách aparatury a doporučení pro další výzkum.
2
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
1
1.1
ÚVOD
EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM KVALITY A ÚČINNOSTI FILTRŮ
Výzkum a výroba filtračních materiálů pro použití v nejrůznějších průmyslových odvětvích (palivové
filtry, vzduchové filtry, sanace znečištěného vzduchu a vody..) představuje oblast, která stále prochází
vývojem, a to i ve spojitosti s výrobou nových nanovlákenných materiálů, které mohou mít podstatně
lepší účinnost než klasické filtry. Klasické metody pro studium a posuzování účinnosti filtrů (například
přesné vážení částic zachycených na filtru oproti částicím prošlým za delší interval při daném
tlakovém spádu) poskytují integrální hodnoty, a to jak v prostoru (v případě nehomogenních vlastností
filtru nemáme informaci o tom, kde jsou slabá místa filtru), tak do velké míry i v čase (pokud dochází k
rychlým změnám filtračních vlastností, klasické metody dávají hodnoty zprůměrované přes delší
časový interval). Tato hodnocení jsou důležitá právě pro použití nanovlákenných materiálů jako filtrů.
Pro podrobnější studium pohybu částic v okolí filtru byla navržena nová experimentální metoda,
založená na poněkud netypickém využití metod laserové anemometrie, konkrétně Particle Image
Velocimetry (PIV).
1.2
ZÁKLADNÍ PRINCIPY PIV
PIV (Particle Image Velocimetry) je kvantitativní neinvazivní optická metoda pro měření rychlostních
polí ve vybraném rovinném řezu. Princip metody je patrný z Obr. 1.
Obr. 1. Princip metody PIV
Do proudícího média jsou zavedeny částice (typicky aerosoly na bázi oleje pro vzduch, pevné částice
pro kapaliny). Pomocí laserové roviny, která je vytvořena průchodem paprsku dvoupulzního laseru
skrz speciální válcovou čočku, je poloha částic dvakrát osvícena s krátkým časovým intervalem mezi
záblesky. Vysokorychlostní CCD/CMOS kamera synchronizovaná s laserovým systémem
zaznamenává dva obrázky, které vyhodnocovací software rozdělí na malé (typicky 32x32 pix)
obdélníkové "interrogační" podoblasti. Vzájemná korelace dvou obrazových signálů příslušející jedné
podoblasti dává korelační peak. Za předpokladu, že trasovací částice sledují pohyb tekutiny, lze z
tohoto peaku na základě známého časového zpoždění mezi pulzy spočítat vektor rychlosti proudění.
Vektory rychlosti získané při standardní PIV (jedna kamera s optickou osou kolmou k laserové rovině)
jsou pouze dvourozměrné. Toto uspořádání je vhodné pro proudění, u kterého se předpokládá, že
třetí složka rychlosti je zanedbatelná. V případě, že je nutné znát všechny složky vektoru rychlosti, je
možné použít dvě kamery ve stereoskopickém uspořádání – stereo-PIV.
3
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
2
2.1
USPOŘÁDÁNÍ MĚŘENÍ
MĚŘÍCÍ TRAŤ
Pro první zkoušky byl navržen a vyroben univerzální kanál použitelný jak pro měření na vzduchu, tak
ve vodě (viz. Obr. 2). Kanál je proveden jako modulární trať o čtvercovém vnitřním průřezu
100x100mm ve svislé poloze s hlavními přípojkami na pružné hadice ø 30mm a bočními ¼"
vývodkami pro tlakové snímače. Trať byla vyrobena z čirého plexiskla tl. 8mm a slepena univerzálním
1
lepidlem na plasty.
Obr. 2.
Měřící trať
Pro hydrodynamická měření mohou dosáhnout tlaky v kanálu podstatně vyšších hodnot než při
měření na vzduchu, a tak je nutné alespoň odhadnout pevnost a přípustné zatížení konstrukce. V
prvním přiblížení lze pohlížet na stěnu čtvercového kanálu vystaveného vnitřnímu přetlaku jako na
desku s vetknutými konci, na kterou působí spojitě rozložené zatížení. Použijeme-li jednoduchý vztah
platící pro štíhlý nosník
σ max =
pd2 ,
2t2
kde σmax je maximální napětí (ve vetknutí – tj. v rohu kanálu), t tloušťka stěny, d šířka stěny a p vnitřní
přetlak, zůstáváme na bezpečné straně výpočtu. Uvažujeme-li dokonale lepené spoje, při použitém
materiálu (mez pevnosti σm = 50-80MPa, vytváření trhlinek již při σt = 9MPa), rozměrech kanálu
(t = 8mm, d = 100mm) a koeficientu bezpečnosti k = 3 je možné zatížit konstrukci maximálním
přetlakem p = 40 kPa, tj. 0.4 bar.
Přitom zdůrazněme, že namáhání konstrukce je úměrné tlaku tekutiny a druhé mocnině poměru (d/t),
pro vyšší tlaky je tedy třeba zmenšit šířku kanálu a/nebo zvětšit tloušťku stěny. Aby byl kanál
dimenzován na tlak ve vodovodním řádu (6 bar), bylo by nutné použít např. plexi tl. 15mm při šířce
kanálu max. 50 mm. Pokud by byl použit kanál o kruhovém průřezu a průměru d, lze pomocí
jednoduchého vztahu pro obvodové napětí na trubce zatížené vnitřním přetlakem
1
Toto lepidlo se již při prvních zkouškách ukázalo jako nepříliš vhodné. Většinu spojů bylo nutné přetěsnit
tmelem vyrobeným z plexiskla rozpuštěného v chloroformu, případně speciálním lepidlem na plexisklo
Acrifix 192.
4
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
σ max = p
d
2t
vypočítat, že maximální povolený přetlak je v tomto případě dvanáctkrát větší než u čtvercového
kanálu stejných rozměrů. To je způsobeno tím, že u kruhové trubky je namáhání přenášeno
rovnoměrně celým průřezem, zatímco u čtvercového průřezu se průběh ohybového momentu a
výsledného napětí podél délky stěny prudce mění a dosahuje lokálního maxima ve středu stěny a
globálního maxima v rozích (vetknutí). Kruhový kanál (trubka) je tedy podstatně vhodnější z hlediska
pevnosti, ovšem při jejím použití by vznikly další komplikace z hlediska metody PIV (optický lom na
zakřivené stěně kanálu).
2.2
AERODYNAMICKÝ KANÁL
Při měření na vzduchu je celý systém poháněn podtlakovým ventilátorem umístěným na výstupu z
aerodynamického kanálu. Jako nejvhodnější z hlediska dostatečného tlaku i průtoku se ukázal
obyčejný domácí vysavač (AEG CE 250, 1600W). Výkon (průtok) lze hrubě regulovat přímo na
vysavači, jemné ladění je možné pomocí bočního ventilu, který přisává vzduch. Na vstupu do
aerodynamické trati je umístěn velký rezervoár, do kterého jsou před měřením injektovány trasovací
částice. Schéma celého uspořádání je na Obr. 3a.
2.3
HYDRODYNAMICKÝ KANÁL
Je-li měřeným médiem kapalina (voda), je nutné dbát mnohem důsledněji na těsnost kanálu a
kontrolovat provozní tlak. Systém je v tomto případě přetlakový, poháněný vodním čerpadlem AL-KO
RAIN 2500 (maximální tlak 1.1 bar, maximální průtok 0.7l/sec), které je ponořené v nádrži. Čerpadlo
nemá vlastní regulaci, a tak se průtok měřící částí kanálu nastavuje pomocí dvou ventilů, které škrtí
uzavřený okruh (z nádrže zpět) a otevřený okruh (z nádrže skrz měřící kanál do odpadu). Schéma
hydrodynamického uspořádání je na Obr. 3b.
5
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
3a.
3b.
Obr. 3. Schéma aerodynamického (a) a hydrodynamického (b) kanálu.
1. Laser NewWave Gemini PIV, 16Hz max. 2. PIV kamera Dantec HiSense 12bit, 1280x1024, 4.5
double-frames/sec max, objektiv Nikon AF Nikkor 60mm 3. Řídící jednotka kamery Dantec
Camera Controller. 4. Dantec System Hub – Flowmap. 5. Řídící PC. 6. Tlakový generátor částic
Scitek LS-10e. 7. Domácí vysavač AEG CE 250, 1600W. 8. Filtr. 9. Digitální diferenciální snímač
tlaku GMSD 2 BR, rozsah –0.1 až 0.2MPa, citlivost 100Pa. 10. Vodní čerpadlo AL-KO RAIN 2500,
350W, max 1.1bar, 0.7l/s.
2.4
ČÁSTICE
Jako částice pro aerodynamický kanál byly vyzkoušeny tři možnosti: olejová mlha z tlakového
generátoru částic (velikost částic cca 2-4 µm), cigaretový kouř (0.4 – 2 µm) [1] a dým vzniklý
spalováním zetlelého dřeva (velikost částic není známa, pravděpodobně srovnatelné s cigaretovým
kouřem).
Pro měření ve vodním kanálu byly použity komerčně dostupné polyamidové částice od firmy Dantec s
nominální velikostí 5µm (tj. částice 1-10µm) a 20µm (tj. 5-35µm). Velikosti a typ částic jsou shrnuty v
Tab. 1.
Označení
Typ
Střední
velikost
Rozptyl
velikostí
C1
Olivový olej
3 µm
2 - 4 µm
C2
Cigaretový kouř
0.8 µm
0.4 – 2 µm
C3
Dým – spalované
dřevo
N/A
N/A
C4
Polyamid (Dantec)
20 µm
5 – 35 µm
C5
Polyamid (Dantec)
5 µm
1 – 10 µm
Tab. 1. Částice použité při měření
6
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
2.5
USPOŘÁDÁNÍ PIV A TLAKOVÝCH SNÍMAČŮ
Jak již je patrné z Obr. 3, laserový řez prochází kanálem svisle zhruba ve výšce umístění filtru. PIV
kamera je umístěna kolmo k rovině laseru tak, aby mělo zorné pole (v závislosti na použitém
objektivu) velikost zhruba 150x150mm.
Vývody pro digitální tlakový snímač jsou umístěny tak, aby bylo možné měřit diferenciálně (tj. tlakový
spád na filtru – při použití obou vývodů), nebo měřit absolutní přetlak v kanálu (při použití pouze
jednoho vývodu proti směru proudění vzhledem k filtru).
2.6
POUŽITÉ VZORKY FILTRAČNÍCH MATERIÁLŮ
Filtr je v kanálu upevněn sevřením mezi dvěma přírubami s těsněním. Při měření s většími tlakovými
spády (zejména ve vodě) je nutné filtr podepřít mřížkou ze skleněných vláken (viz. Obr. 4), aby
nedošlo k jeho protržení; mřížka ovšem částečně ovlivňuje proudové pole za filtrem. Filtrační materiály
použité při zkouškách jsou shrnuty v Tab. 2.
Obr. 4. Detail uchycení filtru
Označení
Typ
Plošná
hmotnost
(nosná vrstva)
F1
Spunlace – vlákno ~ 10 µm
46 g/m
2
F2
Meltblown – mikrovlákno ~ 1 µm
22 g/m
2
F3
Meltblown – mikrovlákno ~ 1 µm
30 g/m
2
F4
Filtrační papír s vrstvou
polyamidových nanovláken
N/A
F8
Filtrační papír bez nanovláken
N/A
Plošná hmotnost
(nanovlákenná
vrstva)
0.3 g/m
2
Tab. 2. Použité filtrační materiály
7
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
3
POSTUP MĚŘENÍ
3.1
AERODYNAMICKÝ KANÁL
V případě měření na vzduchu sestava pracuje v podtlakovém režimu, tj. vzduch je nasáván z výstupu
kanálu. Na vstupu před měřenou sekcí je nutné dobře rozprostřít trasovací částice, k čemuž slouží
objemný rezervoár - pokud jsou částice injektovány přímo do vstupní hadice, jejich rozložení je ještě u
filtru silně nehomogenní. Při zkouškách se ukázalo, že olejové částice (C1) způsobují velké problémy
adhezí a znečišťováním stěn kanálu, a to tak rychle, že prakticky není možné zaznamenat kvalitní
nerozostřený obraz. V měřeních tedy byly používány výhradně pevné částice typu C2 a C3.
Měřící cyklus byl následující:
3.2
•
pročištění (odsátí) kanálu od částic
•
zastavení proudění
•
injektování vhodného množství částic do rezervoáru, prodleva na dobré rozprostření částic
•
spuštění PIV systému zároveň s vysavačem
•
nahrání 200 dvojobrázků s frekvencí 4Hz (tj. celková délka měření 50s)
HYDRODYNAMICKÝ KANÁL
U měření ve vodním kanálu je systém přetlakový, což vzhledem k použitému kapalnému médiu klade
podstatně vyšší požadavky na těsnost kanálu. Kanál je nejdřív nutné dokonale pročistit od zbytků
částic a napustit čistou vodou tak, aby nikde nezůstaly vzduchové bubliny. Polyamidové částice je
třeba dobře rozmíchat v menším množství vody s nepěnivým jarem a poté nalít do nádrže, kde je lze
snadno rozptýlit zapnutím čerpadla pouze do uzavřeného okruhu (viz. Obr. 3). Měření bylo opět
spouštěno zároveň s otevřením měřícího okruhu při 200 dvojzáblescích s frekvencí 4Hz.
3.3
POUŽITÍ PIV APARATURY PRO STUDIUM POHYBU ČÁSTIC V OKOLÍ FILTRU
Nestandardnost využití PIV pro vizualizaci a měření pohybu částic v okolí filtrů spočívá především v
tom, že částice nejsou použity pouze jako trasovací materiál pro zviditelnění proudění, ale že mají i
druhou podstatnou funkci – jsou zachytávány filtrem a tak je přímo na nich testována jeho účinnost.
Z toho vyplývají dva podstatné důsledky:
•
Není splněn základní předpoklad metody PIV – částice nemusí dokonale sledovat proudění
média. Filtr částice zachytává a dá se předpokládat, že i částice, které projdou, jsou
přinejmenším zpomaleny (přičemž proudící médium zpomalovat nemůže díky rovnici
kontinuity). Těsně za filtrem částice znovu akcelerují na rychlost proudění. Je tedy potřeba
mít na paměti, že vektorová pole reprezentují rychlost částic a ne nutně rychlost proudícího
média, jak je u PIV běžné.
•
Pokud filtr zachytí větší část částic (nebo všechny), není vůbec možné vektory rychlosti
vypočítat.
Volba částic je tedy při sledování filtračních dějů náročnější než obvykle. Částice musí splňovat jednak
požadavky na vhodnost pro PIV, ale zároveň musí mít i vhodnou velikost vzhledem k charakteru filtru.
Pro testování filtrů s nanovlákennými vrstvami jsou typické velikosti pórů (a tedy nejmenších
zachytávaných částic) v řádu stovek nm až jednotek µm, testované částice by přitom měly mít
srovnatelnou velikost.
Na Obr. 5 je ukázkové vektorové pole rychlostí vyhodnocené metodou PIV (princip je popsán v
odstavci 1.2). Na pozadí vektorového pole byl pro přehlednost ponechán původní snímek z kamery,
kde jsou vidět stěny kanálu, umístění filtru a nasvícené částice. Proudění směřuje shora dolů,
uprostřed mezi přírubami je upevněn filtr. Proudové pole před (nad) filtrem vykazuje značné odchylky
8
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
od ideálního úplně vyvinutého rychlostního profilu a z vektorů za filtrem je patrné, že filtr propouští v
některých místech výrazně silněji než v jiných. Pod "hustšími" místy filtru dochází k recirkulaci
proudění, vytváření vírů a vírových řad.
Kromě vyhodnocování vektorových polí rychlosti se ovšem při použití PIV aparatury nabízí i druhá
možnost, jak posuzovat účinnost filtrů: velmi užitečná je již prostá vizualizace částic pomocí laserové
roviny. Obr. 6 a Obr. 7 demonstrují částice osvícené laserovou rovinou pro vodní, resp. vzduchový
kanál. Ze snímků je zřetelně vidět, zda filtr částice propouští či ne, ve které oblasti jsou slabá místa a
při delším měření lze posoudit i časový vývoj vlastností filtru.
Otevřeným problémem ovšem zůstává, jak takovouto informaci kvantifikovat a objektivně vyhodnotit.
V případě polyamidových částic ve vodě (Obr. 7), které rozptylují světlo podstatně lépe než olejová
mlha nebo kouř ve vzduchu, je možné pomocí analýzy obrazu vyhodnotit přímo počty částic nad
filtrem a pod ním, a to například v několika oblastech podél délky filtru (aby bylo zachyceno prostorové
rozložení kvality filtru). Tato metoda funguje správně pro případ na Obr. 7, ovšem v případech, kdy
pod filtrem dochází k recirkulaci proudění (Obr. 5), by dala nesprávný výsledek, neboť zde už poměr
počtu částic nad filtrem a pod filtrem není úměrný účinnosti filtru – v úplavu za hustšími místy filtru se
částice "točí" a neodtékají, byly by tedy započítány nesprávně). U proudění na vzduchu je navíc téměř
nemožné počítat jednotlivé částice (Obr. 7) a bylo by nutné vycházet z předpokladu, že hustota
(počet) částic je úměrná celkové intenzitě rozptýleného světla, tj. světlosti obrazu.
Další informací, kterou je možné pomocí laserové aparatury získat, je časové zdržení částic na filtru. V
obou uspořádáních lze zajistit, aby na filtr dorazilo relativně zřetelné rozhraní mezi médiem bez částic
a s částicemi. Z časového průběhu pohybu čela částic lze potom vyhodnotit čas, po který se částice
při průchodu filtrem zdrží. První experimenty ovšem ukázaly, že časové rozlišení stávající aparatury
pro použité filtry nestačí. Maximální opakovací frekvence laseru je 4Hz, tj. interval mezi záblesky
250ms, což je oproti zdržení částic na zkoušených filtrech příliš dlouhá doba. Řešením by mohla být
spolupráce s Ústavem Termomechaniky AV ČR, kde je k dispozici tzv. time-resolved PIV pracující v
řádech kHz.
9
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
Obr. 5. Ukázka vyhodnocení vektorového pole rychlosti metodou PIV. Proudění v
hydrodynamickém kanálu, filtr F4 (papír s nanovláknem, viz. Tab. 2), částice C5 (polyamid 5µm,
viz. Tab. 1), střední rychlost proudění 6mm/s.
10
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
Obr. 6. Ukázka vizualizace částic. Proudění v hydrodynamickém kanálu, filtr F3 (textilní –
mikrovlákno Meltblown), střední rychlost proudění 10mm/s.
Obr. 7. Ukázka vizualizace částic - proudění v aerodynamickém kanálu, filtr F3, střední rychlost
proudění 35mm/s, tlak neměřen. Neosvětlený klín nad filtrem je způsoben zastíněním laserové
roviny přírubou kanálu.
11
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
4
VÝSLEDKY MĚŘENÍ
Vzhledem k tomu, že se jedná o první testovací studii pro ověření použitelnosti metod, netvoří
výsledky systematický a kompletní soubor dat. Velká část měření byla nepříznivě ovlivněna
systematickými chybami či nevhodným nastavením parametrů, v této zprávě jsou shrnuty pouze
reprezentativní výsledky.
4.1
4.1.1
MĚŘENÍ VE VZDUCHOVÉM KANÁLU
Měření m12
Filtr F1 (textil Spunlace), částice C1 (olejové kapky) rychlost proudění cca 1.5 m/s. Proudění je příliš
rychlé – mezi dvěma dvojzáblesky laseru urazí částice kolem 40cm, tj. 2x víc než je velikost zorného
pole. Řídký filtr propouští prakticky všechny částice. Snímek v plném rozlišení je v souboru m12File0021_a.jpg.
Obr. 8. Okamžik těsně po prostupu čela částic skrz filtr
4.1.2
Měření m16
Filtr F2 (mikrovlákno Meltblown), částice C1 (olej), nižší průtok (rychlost cca 0.4m/s). Filtr propouští
podstatnou většinu částic. Snímky v plném rozlišení jsou v souborech m16-File0029_a.jpg a m16File0030_a.jpg.
12
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
Obr. 9. m16 – okamžik těsně před a těsně po prostupu čela částic skrz filtr
4.1.3
Měření m22, m27
Filtr F3 (mikrovlákno Meltblown s vyšší gramáží), částice C3 (pevné částice - dým), rychlost proudění
(cca 20mm/s) byla snížena natolik, aby bylo možné sledovat průchod čela částic i při nízké frekvenci
laseru. Vzhledem ke zastínění poměrně široké oblasti kolem laseru přírubou ovšem ani zde není
zdržení částic na filtru měřitelné. Sekvence 88 snímků v plném rozlišení je v souboru m22.avi (LAVC
codec, 5fps).
Měření m27 probíhalo při stejných parametrech, pouze byla odstraněna podpůrná mřížka pod filtrem a
rychlost proudění byla o něco vyšší (cca 35mm/s). Výsledky jsou podobné, sekvence v plném
rozlišení je v souboru m27.avi.
13
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
Obr. 10. m22 - sekvence záběrů ukazujících průchod čela částic skrz filtr
4.1.4
Měření m29
Filtr F4 (papírový nosný materiál s nanovlákennou vrstvou), částice C3 (pevné částice - dým), rychlost
proudění cca 40mm/s.
Z Obr. 11 je vidět, že filtr s nanovlákennou vrstvou již většinu částic zachycuje. Zejména v pravé dolní
části je ovšem patrné, že filtr obsahuje nežádoucí póry – částice zde zřetelně procházejí v tenkých
proudech. Snímek v plném rozlišení je v souboru m29-File0046_a.jpg.
Obr. 11. m29 – průchod částic nehomogenitami na filtru
14
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
4.2
4.2.1
MĚŘENÍ VE VODNÍM KANÁLU
Měření m92, m93, m94
Filtr F4 (papírový nosný materiál s nanovlákennou vrstvou), částice C5 (polyamid 5 µm), rychlost
proudění 6mm/s, tlak nad filtrem 8-9kPa (postupně roste se zacpáváním filtru). Měření m92, m93 a
m94 následovala hned za sebou beze změny jakýchkoliv parametrů asi s 90s prodlevou na stažení
dat.
Na Obr. 12 vidíme, že filtr s nanovlákennou vrstvou část částic zachytává a část propouští. Snímky v
plném rozlišení jsou v souborech m92-img_180.jpg a m92-img_180-vektory.emf, průběh celého
měření v souboru m92.avi (10 fps).
Z Obr. 13 je patrný vznik úplavů za hustšími místy filtru. Snímky v plném rozlišení jsou v souborech
m93-img_160.jpg a m93-img_160-vektory.emf, průběh celého měření v souborech m93.avi a m94.avi.
Obr. 12. m92 – zachytávání částic na filtru, vypočítané vektorové pole
Obr. 13. m93 – zachytávání částic na filtru, vypočítané vektorové pole
4.2.2
Měření m95, m96
Filtr F8 (papírový filtr bez nanovláken), částice C5 (polyamid 5 µm), rychlost proudění 10mm/s, tlak
nad filtrem 0.3kPa (postupně roste se zacpáváním filtru).
15
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
Měření m95-m96 (opět následovala těsně po sobě) byla provedena pro podobné parametry, jako
m92-m94, pouze byla z filtračního papíru setřena nanovlákenná vrstva. Srovnatelné rychlosti proudění
jsou zde dosaženy při řádově nižším tlaku.
Obr. 14 demonstruje časový vývoj vlastností filtru od příchodu prvních částic. Intervaly mezi
jednotlivými snímky jsou 5s. Prvních cca 15s filtr částice zachycuje, ale po uplynutí 20 s již začínají
částice procházet nejprve v malých proudech, později v celé ploše. Na Obr. 15 je vidět stav filtru po
90s od příchodu prvních částic – materiál již propouští téměř všechno.
Celé měření s intervaly 0.25s mezi snímky je uloženo v souborech m95.avi a m96.avi.
16
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
Obr. 14. m95 - časový vývoj vlastností filtru (interval mezi snímky 5s)
Obr. 15. m96 – filtr po uplynutí 90s
4.2.3
Měření m98
Filtr F3 (mikrovlákno Meltblown, vyšší gramáž), částice C5 (polyamid 5 µm), rychlost proudění
10mm/s, tlak nad filtrem 0.7kPa.
Při tomto měření byla optimálně nastavena hustota částic a zaostření objektivu tak, aby bylo možné
sledovat a případně analýzou obrazu počítat jednotlivé částice. Mikrovláknový filtr zachycuje drtivou
většinu částic (viz. Obr. 16) – prošlé částice jsou v řádu jednotek za sekundu. V oblasti pod filtrem,
kde nejsou prakticky žádné částice, dává metoda PIV neplatné výsledky. Z průběhu měření (soubor
m98.avi) je vidět, že sledovat trajektorie prošlých částic je obtížné: částice se nečekaně "ztrácejí" a
znovu "objevují". Toto je důkaz toho, že proudění pod filtrem již není zcela dvourozměrné, částice se
při pohybu dostávají mimo rovinu laseru.
17
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
Obr. 16. m98 – snímek z PIV kamery a odpovídající vektorové pole
5
DISKUZE A ZÁVĚR
Měření ve vzduchovém i vodním kanálu jsou proveditelná. Provozovat vodní aparaturu je podstatně
náročnější – je potřeba dbát mnohem důsledněji na těsnost kanálu a pevnost sestavy (vzhledem k
vyšším provozním tlakům). Napouštění, odvzdušňování a čištění vodní aparatury je také pracnější.
Během zkoušek bylo ověřeno, že stávající přístup a aparatura umožňuje:
•
Vizualizovat proudění. Jedná se o subjektivní, ale velmi názornou informaci. Ze snímků je
okamžitě patrné, jestli a jak moc filtr propouští částice, jak se jeho vlastnosti mění v čase a jak
jsou rozloženy prostorově (jestli je homogenní, nebo jestli propouští částice pouze v některých
místech).
•
Měřit 2D vektorová rychlostní pole v okolí filtru. Z rychlostních polí lze vyhodnotit, zda
proudění prochází skrz filtr rovnoměrně, nebo jestli je průtok soustředěn do menší oblasti. V
případě, že část částic skrz filtr prochází, je možné usoudit, zda pod filtrem dochází k
recirkulaci proudění.
•
Odhadnout zdržení částic při průchodu filtrem. Vzhledem k malému časovému rozlišení
stávající aparatury není u řídkých filtrů zdržení částic viditelné. Výsledky by měly být
dosažitelné pomocí time-resolved PIV, současnou aparaturou by měřitelné časy zdržení
mohly být dosaženy pro velmi malé rychlosti proudění a hustší či vícenásobné filtry.
•
Kvantifikovat účinnost filtru, a to jak v čase tak v prostoru. Pro měření ve vodním kanálu lze
účinnost filtru vyhodnotit přímo počítáním částic pomocí analýzy obrazu, ovšem za
předpokladu, že nedochází k recirkulaci proudění pod filtrem (tj. že částice víceméně
"rovnoměrně" proudí před filtrem i za ním, tj. že jejich trajektorie není příliš odlišná od přímky).
Na snímcích ze vzduchového kanálu nelze částice počítat a na účinnost filtru je možné
usuzovat pouze z celkové světelné intenzity obrazu (za předpokladu, že tato intenzita je
nějakým způsobem úměrná počtu částic). Metody na analýzu měřených snímků a
vyhodnocování účinnosti je nutné ještě rozpracovat.
Současná konfigurace a metody neumožňují
•
Posoudit, jak velké částice přes filtr prošly, a které byly zachyceny.
•
Zobrazit děje odehrávající se blíže než 1cm od filtru.
•
Přímo vyhodnocovat počty částic při proudění ve vzduchovém kanálu.
18
Výzkumná zpráva – centrum Pokročilé sanační technologie a procesy
6
DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ VÝZKUM
6.1
SMĚŘOVÁNÍ VÝZKUMU
Specifikovat, jak bude další výzkum směřovat, tj. přesněji určit požadované výstupy měření, typy filtrů
a částic ke zkoušení. Pro další etapu by bylo vhodné soustředit se buď na měření na vzduchu, nebo
ve vodě.
6.2
ÚPRAVY APARATURY A MĚŘÍCÍHO ŘETĚZCE
•
Začlenit do kanálu průtokoměr. Bude třeba zvolit různé typy průtokoměrů pro vodní /
vzduchový kanál.
•
V případě, že vnikne požadavek na měření časové závislosti vlastností filtrů, bude nutné
pořídit zařízení na sběr dat (z tlakových snímačů, případně z průtokoměru). Přitom by stačil
zcela jednoduchý přístroj – čtyři kanály, vzorkovací frekvence 1kHz.
•
Pro získání kvalitních výsledků bude možná vhodné nechat znovu vyrobit měřící kanál.
Dohlédnout, aby nedošlo k poškození stěn (při výrobě neodstraňovat krycí fólii na plexiskle,
dbát na to, aby nedošlo k optickému znehodnocení naleptáním lepidlem, poškrábáním apod.).
Lepit roztokem plexiskla v chloroformu nebo speciálním lepidlem Acrifix 192.
•
Pro měření s vyšším časovým rozlišením zvážit použití time-resolved PIV (možná spolupráce
s ÚT AV ČR).
Měření na vzduchu:
•
Optimální částice C3. Pokud by byly odstraněny příruby a filtr upevněn pouze mezi stěny
kanálu, bylo by možné sledovat oblast v bezprostřední blízkosti filtru (na úkor těsnosti
aparatury).
Měření ve vodě:
•
6.3
Optimální částice C5. Změnit směr proudění kanálem – přívod dole, odtok nahoře (ve stávající
konfiguraci nežádoucí ovlivnění tlakem vodního sloupce, obtížné odvzdušňování). Pro měření
za vyšších tlaků (současné uspořádání lze zatížit tlakem max. 0.4bar) bude nutné zvolit
pevnější konstrukci – čtvercový kanál o menších rozměrech a silnějších stěnách nebo kruhový
kanál ponořený v nádrži (náročnější, ale pevnější varianta).
VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ
•
Podle požadovaných výstupů rozmyslet, vyzkoušet a pokud možno ověřit (standardními
metodami) nové postupy pro kvantifikaci účinnosti filtrů založené na počítačové analýze
snímků.
PODĚKOVÁNÍ
Práce vznikla v rámci výzkumného centra Pokročilé sanační technologie a procesy.
REFERENCE
[1]
YADAV R., SAOUD K., RASOULI F., HAJALIGOL M., FENNER R.: Study of cigarette smoke aerosol
using time of flight mass, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 72, 17-25
19