מתודולוגיה ניסויית עבור הערכת שטפי חום מקומי שיעורי הבוער Steady להבות דיפוזיה שכבה למינרית גבול
1 ביוני 2016
אנו מתארים את השימוש במיקרו-צמדים תרמיים כדי להעריך שיפועי טמפרטורה מקומיים בלהבות דיפוזיה של שכבת גבול למינרית יציבה. על ידי הרחבה של אנלוגיית ריינולדס, ניתן להשתמש בשיפועי טמפרטורה מקומיים כדי להעריך את קצב שריפת המסה המקומית ושטפי החום בלהבות כאלה בדיוק גבוה.
המטרה הכללית של ניסוי זה היא לתאר את השימוש במיקרו-טרמוקופלים להערכת מדרגי טמפרטורה מקומיים במשטחי דלק מעובה עבור להבות דיפוזיה של שכבת גבול למינרית יציבה. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום מדע האש, כגון חקר הקשר הדינמי בין משטח דלק מעובה דליק לבין להבות פאזת הגז בשכבות גבול למינריות וטורבולנטיות. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שניתן להשתמש בה כדי למדוד במדויק קצבי בעירה מסתיים מקומיים בלהבות דיפוזיה של שכבת גבול למינרית יציבה.
מי שידגימו את ההליך הם Colin Miller ו-Wei Tang. שניהם דוקטורנטים להנדסת מכונות. עבור ניסויי דלק נוזלי, הכינו פתיל דלק מחומר נקבובי שאינו דליק, כגון צמר סיליקט של מתכות אלקליות-עפריות.
אפו את הפתיל למשך כ-20 דקות באמצעות להבת דיפוזיה של מבער פרופאן. פעולה זו תשרוף את כל הקשרים האורגניים בתוך הפתיל. לאחר מכן, מרחו דבק עמיד בחום על נייר אלומיניום והדביקו את נייר האלומיניום אל הפתיל.
יש להקפיד שהחלק העליון יישאר נקי. עבור ניסויים בדלק מוצק, הכין לוח דלק מוצק בעל ממדים זהים לאלו של הפתיל. כדי להתקין את הדלק המוצק, חתוך חריץ ארוך בלוח בידוד מסיב קרמי, או השתמש בחומר נקבובי שאינו דליק אשר נחתם בצבע שחור מט עמיד לטמפרטורות גבוהות.
עבור ניסויי הסעה חופשית או זרימה מאולצת, מקמו מצלמת DSLR דיגיטלית במיקום ממנו ניתן לראות את הציר המרכזי של הדלק וצד שלם של הלהבה. עבור להבות בהסעה מאולצת, צלמו את מרכז דגימת הדלק בשטח של 16 על שמונה סנטימטרים, כדי שניתן יהיה לחשב את מרחק הניתוק של הלהבה באזור הפירוליזה. לאחר מכן, מקמו את מנגנון התנועה (traverse mechanism) מעל דגימת הדלק.
לאחר מכן, חברו בזהירות תרמוזוגל עם חוט בעובי 50 micron לציר האופקי שלו. לאחר מכן, הפעילו את בקר מנוע הפסעות (stepper motor) התכנותי, ועבור ניסויי זרימה כפויה, חברו את מפוח הסנטריפוגה של מנהרת הרוח. לאחר מכן, הגדירו את בקר ה-PWM בהתאם למהירות המפוח.
השתמש באנמומטר חוט חם כדי לאמת את המהירות במוצא מנהרת הרוח. כעת, לבש ציוד מגן ובצע את ההכנות הסופיות לעריכת הבדיקה. השרה את הפתיל בדלק נוזלי עד לרוויה.
לאחר מכן, הנח בזהירות את הפתיל הספוג בדלק או את לוח הדלק המוצק לתוך מחזיק פתיל הדלק. כעת, ודא באופן קריטי את מישוריות פני פתיל הדלק באמצעות מד זווית. לאחר מכן, בדוק את מאזן המסה ורשום את קריאתו לפני הבדיקה.
לפני הדלקת הדלק, יש לבדוק את האוורור בחדר. מערכת הפליטה צריכה לפעול, אך להיות מכוונת כך שתגרום להפרעה מינימלית לזרימת האוויר מסביב לניסוי. לפני הדלקת דגימה, יש לכייל את המצלמה הדיגיטלית באמצעות סרגל במיקום שבו תונח הדגימה.
בנוסף, התחילו את איסוף הנתונים באמצעות התוכנה של מאזן המסה. כעת, מקמו את הדגימה ולאחר מכן הדליקו את הדלק באמצעות מבער פרופאן. עבור פתילים, געו לרגע במשטח הקצה עם הלהבה.
עבור דלקים מוצקים, העבירו את הלהבה באופן אחיד על פני השטח למשך 50 עד 60 שניות. לאחר תקופת השריפה, כבו את הלהבה על ידי נשיפה. במקרה של דלקים מוצקים, הניחו לשריפה להימשך למשך זמן קבוע.
לאחר מכן, חזרו על תהליך השריפה מספר פעמים תוך שימוש באותו מרווח זמן. מרגע שכל נתוני השריפה נאספו, כבו את המפוח על ידי הגדרת בקר ה-PWN לאפס וניתוק המפוח מהחשמל. לבסוף, כבו את הבקר של מנוע הפסעה (stepper motor).
לאורך מספר סבבי בעירה, ניתן למדוד את נסיגת השטח המדורגת של דלק מוצק כדי לאמת מדדים אחרים. לאחר כל תקופת בעירה, חתכו את המוצק שנשרף לאורך קו המרכז. לאחר מכן, תיעדו את נסיגת הבעירה באמצעות צילום ממבט צדי.
נתחו את תצלומי התצפית מהצד בתוכנת ImageJ. פתחו אותם באמצעות Select File ולאחר מכן Open Image. לאחר מכן, פתחו את תמונת הסרגל באמצעות האפשרות Open Calibration Image.
בשלב הבא, הנח את תמונת הכיול מעל לתמונת הדלק המוצק. כעת, הגדר את קנה מידה למדידה על ידי שרטוט קו בין שתי נקודות במרחק ידוע על הסרגל. לאחר מכן, בחר באפשרות Set Scale תחת תפריט Analyze.
בחלון Set Scale, הזן את המרחק הידוע (Known Distance) של הקו ולחץ על OK. חזור על תהליך זה עם קו חדש כדי לוודא שסולם המדידה נכון. כעת, מדוד מרחקים בתצלום הדגימה על ידי שרטוט קו, והבחין בזווית ובמרחק בשורת המצב. לחיצה על Control M תשמור את הנתונים בחלון הנתונים.
נסיגת השריפה מחושבת כעובי הדגימה שהפחיתו מעוביה הראשוני. חשוב לשים לב למרווח הזמן שבו פני הדלק נותרים שטוחים בקירוב. השתמשו בנסיגת השריפה מתקופה זו כדי להשוות למיפוי הטמפרטורה או לצורך התאמות של מיקומי הטרמוזוגים שבוצעו כדי לפצות על נסיגת הפנים.
להקמת מיפוי טמפרטורה, יישרו בזהירות תרמוזוג micro עם פני הדלק באמצעות unislide X-Y. מקמו אותו במרכז הפתיל של דגימה מוצקה. עבור פתיל דלק, השתמשו ב-unislide X-Y כדי למקם את התרמוזוג micro בזהירות לאורך הקצה הקדמי.
חיוני שצמד תרמואלקטרי (thermocouple) ימוקם בצורה מדויקת על פני השטח של הדגימה. אם המיקום אינו מדויק, כל המדידות יסטו במידה מסוימת. הוא חייב להיות קרוב ככל האפשר לפני השטח של הדלק כדי להבטיח מדידות מדויקות.
בתסריט של Velmex, הגדירו את מרווח מיפוי הטמפרטורה במהלך שריפה יציבה ל-150 שניות עבור PMMA מוצק או ל-400 שניות עבור פתילים ספוגים בנוזל. הגדירו את גודל הצעד, הנמדד על פני השטח של הדגימה, לאיסוף נתונים בכל רבע מילימטר. הגדירו את קצב הדגימה לטווח שבין 100 ל-500 hertz.
אם פני השטח עוברים עיוות בטווח השגיאות של הניסוי במהלך המיפוי, התוצאות אינן תקפות יותר, ולכן קריטי לקבוע נכון את תקופת המדידה והמרווחים. כעת, בעת ביצוע ניסוי השריפה, הפעילו את תוכנת רכישת הנתונים כך שתקרא את אלגוריתם סריקת הרשת מתיקייה בשולחן העבודה. כאשר התוכנה פועלת, הנתונים יירשמו באופן אוטומטי עם הפעלת מודול רכישת הנתונים ב-lab view.
שיעורי איבוד מסה ופרופילי טמפרטורה מעל להבת דיפוזיה בשכבת גבול של קונבקציה כפויה נמדדו עבור דגימות PMMA. התוצאות מראות שניתן לקלוט טמפרטורות מדויקות בקרבת פני הדלק עם שגיאות קטנות, הודות למיקרו-תרמוקופלים ולשיטת תיקון קרינה של שני תרמוקופלים. מדרגי טמפרטורה חסרי ממד לאורך פני הדלק של להבת דיפוזיה בשכבת גבול של PMMA נמדדו בשני מהירויות זרימת אוויר.
נמדדו גם שינויים בקצבי השריפה המסיים המקומיים בתנאי זרימה חופשית שונים. קצבי השריפה המסיים המקומיים שהתקבלו באמצעות מדרגות טמפרטורה חסרי ממד הושוו גם אל מול הנתונים הניסיוניים שהתקבלו באמצעות רגרסיה של פני השטח של ה-PMMA. הם תאמו היטב.
רכיבי שטפי החום של הלהבה נבחנו בפירוט רב יותר בזרימה כפויה של 2.06 meters per second. רמת הפירוט של מדידות הטמפרטורה סמוך לפני השטח אפשרה את הפקת שטפי החום הקונבקטיביים אשר, בשילוב עם שיעורי איבוד המסה מהפני השטח, סיפקו את כל רכיבי הבעירה לצורך ניתוח מקומי. לאחר רכישת מיומנות בשיטה זו, ניתן לבצעה תוך דקות ספורות לכל דגימת דלק.
בעקבות נוהל זה, ניתן לבצע ניתוח של קצבי שריפה מקומיים של מסה והעברת חום כדי להבין טוב יותר את התנהגות השריפה של חומרים ולתקף קודים נומריים. זכרו כי עבודה עם להבות אלו עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות בעת ביצוע נוהל זה, כגון הרכבת משקפי מגן, עבודה בתנאי אוורור נאותים ווידוא כי החומרים הנשרפים אינם רעילים.
סקירה כללית
מחקר זה מתאר את השימוש במיקרו-תרמוצמדים להערכת מדרגי טמפרטורה מקומיים בלהבות דיפוזיה של שכבה גבולית למינרית במצב יציב. שיטה זו מאפשרת מדידה מדויקת של קצבי בעירה מסותיים מקומיים ושטפי חום, ותורמת להקדמה במדעי האש.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדע האש
- אנליזה תרמית
- דינמיקת בעירה
רקע
- הבנת מדרגי טמפרטורה היא חיונית במחקר על בעירה.
- מדידות טמפרטורה מקומיות יכולות לספק מידע על קצבי שריפת המסה.
- מיקרו-תרמוקפלים מספקים דיוק גבוה בקריאות טמפרטורה.
- טכניקה זו יכולה להעמיק את הידע על התנהגות להבה בתנאים שונים.
מטרת המחקר
- למדידה מדויקת של מדרגי טמפרטורה מקומיים בלהבות דיפוזיה.
- לבחינת הקשר בין משטחי דלק מעובה לבין להבות בשלב הגז.
- לשיפור מתודולוגיות להערכת שטפי חום בתהליכי בעירה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת פתילות דלק ודגימות דלק מוצק.
- שימוש במצלמות דיגיטליות לאיסוף נתונים חזותיים.
- הטמעה של מנועי צעדים תכנותיים למיקום מדויק של תרמוקפלים.
- רכישת נתונים עבור קצבי איבוד מסה ומיפוי טמפרטורה.
תוצאות עיקריות
- מדידה מוצלחת של מדרגי טמפרטורה מקומיים באמצעות מיקרו-תרמוקופלים.
- הערכה מדויקת של קצבי שריפת מסה בשכבות גבול למינריות.
- תיקוף של שיטות ניסיוניות באמצעות בדיקות שריפה חוזרות.
- תובנות לגבי הדינמיקה של אינטראקציות בין להבה למשטחי דלק.
מסקנות
- שיטת המיקרו-תרמוקפל יעילה לחקר תופעות בעירה.
- הממצאים תורמים להבנה מעמיקה יותר של דינמיקת שריפות.
- מחקר זה יכול לספק מידע לגיבוש פרוטוקולי בטיחות ולשיפור יעילות הבעירה.
שאלות נשאלות בבינוי
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מתודולוגיה זו מאפשרת מדידה מדויקת של מדרגי טמפרטורה מקומיים וקצבי בעירה של מסה בלהבות דיפוזיה של שכבת גבול למינרית, ובכך מספקת נתונים כמותיים החיוניים לתיקוף מודלים של בעירה ולהערכת מאפייני דליקות של דלקים. הטכניקה תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית בהערכות בטיחות של חומרים בשלבים מוקדמים, על ידי קישור התנהגות פירוליזה של פני השטח לדינמיקת הלהבה בשלב הגזי. תובנות אלו תורמות לביטחון בחיזוי בבחירת חומרים ובמסלולי עבודה של הערכת סיכוני דליות בתוך תהליכי מו"פ.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של דינמיקת נסיגת פני השטח של הדלק תחת תנאי זרימה מבוקרים כדי להבהיר את מנגנוני הפירוליזה.
- ערך תפעולי: מספק מדידות הדירות של קצב שריפה מסתי מקומי התומכות בתיקוף תפקודי של היציבות התרמית של הדלק.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: יוצר פרופילים סטנדרטיים של מדרג טמפרטורה המשמשים כנתונים כמותיים להשוואת התנהגות בעירה של דלק.
- ערך תפעולי: מסייע במוכנות הבדיקה באמצעות מיפוי מסלול אוטומטי ורכישת נתונים מתרמוקפלים המתוקננים לקרינה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במידול מערכות רלוונטי למחלות על ידי מתן אפשרות למחקר מבוקר של אינטראקציות בין להבה לדלק בשכבות גבול למינריות.
- ערך תפעולי: מבטיח המשכיות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות ניתוח שטף חום ונסיגת בעירה הניתנים לשחזור.
שילוב תהליכי עבודה וקווי עיבוד (Pipeline)
השיטה משתלבת בתהליכי גילוי על ידי אספקת נתונים מקומיים של תרמיקה ואיבוד מסה, המסייעים בסריקת סיכונים מוקדמת ובחיזוי התנהגות חומרים.
- ביולוגיה של התגליות: תומך בבדיקת היפותזות של מנגנוני נסיגת פנים בתנאי זרימה משתנים באמצעות מיפוי מדויק של מדרג הטמפרטורה.
- סריקה: מספק פלטים הניתנים לשחזור ומוכנים לבדיקה באמצעות מעבר בצעדי גודל סטנדרטיים ודגימת טמפרטורה בתדר גבוה.
- אנליטיקה: מספק מדידות של מדרג טמפרטורה חסר ממדים ושל קצב שריפת מסה, המאפשרים השוואה בין תנאים שונים ותיקוף של מודלים.
- מחקר תרגומי: מקשר לרציפות פרה-קלינית על ידי תיקוף גישות ניסיוניות אל מול נתוני נסיגת פנים לצורך קידום מותאם-סיכון.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס יכולת לשימוש חוזר עבור מיפוי תרמי אוטומטי ברזולוציה גבוהה בקרבת הדופן, על פני סוגי דלקים ותנאי זרימה שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי במידול אינטראקציית להבה-דלק באמצעות הערכות מאומתות של שטף חום מקומי וקצב בעירה.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה והדירות באמצעות תנועה ממוחשבת ומדידות מיקרו-תרמוקופל המתוקנות לקרינה.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות go/no-go בסינון חומרים על ידי הפחתת חוסר הוודאות בתחזיות של התפרקות תרמית.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף של פורמולציות דלק מותאם-סיכון, בהתבסס על התנהגות בעירה מכומתת בתנאי שכבה גבולית למינרית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בטכניקות למדידה תרמית ובהקמה ניסיונית של תהליכי בעירה.
- נדרשת סבב מכשירים הכוללת מיקרו-צמדים תרמיים (micro-thermocouples), מערכת תנועה בשני צירים, מנוע פסע תכניתי ומודול לרכישת נתונים.
- דורש סטנדרטיזציה בין-צוותית לצורך מיקום עקבי של הגששים, תיקון קרינה ופרוטוקולי תזמון בעירה.
- כולל שיקולי התאמה לגאומטריות דלק משתנות, שמירה על מישוריות פני השטח וסובלנות לעיוותים במהלך המיפוי.
- מוגבל על ידי חלון הבערה היציבה החולפת של דלקים מרוכזים, מה שמחייב לכידת נתונים מהירה ואוטומטית להבטחת התוקף.
