Wizualizacja płomieni - metoda dla rafinerii i lotnictwa

O systemie Pojemnościowej Tomografii Komputerowej do wizualizacji płomieni opowiedzieli PAP prof. hab. dr inż. Piotr Wolański oraz dr inż. Zbigniew Gut z Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej.

Diagnostyka procesów spalania jest dziedziną nauki, w której obserwuje się szybki postęp. Jednocześnie międzynarodowe przepisy dotyczące ochrony środowiska naturalnego, zwłaszcza ograniczania emisji substancji toksycznych, są coraz bardziej restrykcyjne. Dlatego od lat prowadzone są na świecie prace nad tworzeniem coraz lepszych metod diagnostycznych, pozwalających na optymalizację procesu spalania. Chodzi tu o m.in. wprowadzanie systemów ograniczających powstawanie związków toksycznych, stosowanie bardzo skutecznych układów katalitycznego oczyszczania spalin, czy wreszcie stosowanie paliw alternatywnych.

W Zakładzie Silników Lotniczych, Instytutu Techniki Cieplnej PW, pod kierownictwem prof. hab. dr inż. Piotra Wolańskiego oraz dr inż. Zbigniewa Guta w latach 90. ubiegłego wieku rozpoczęte zostały prace nad wykorzystaniem metody Pojemnościowej Tomografii Komputerowej do obrazowania i monitorowania procesów spalania.

"Obecnie analiza prowadzona bezpośrednio w płomieniach najczęściej odbywa się punktowo, poprzez wykorzystanie różnego rodzaju sond i próbników. Jednak nie dają one pełnej informacji o procesach spalania zachodzących w komorach spalania czy palnikach, jak chociażby w przypadku kontroli temperatury gazów wylotowych" – tłumaczy prof. Wolański.

Dodaje, że metody optyczne stosowane do wizualizacji procesów spalania (np. smugowa, cieniowa, interferometryczna) wykorzystują zmiany współczynnika załamania światła na skutek zmiany gęstości ośrodka, przez które ono przechodzi. Ale metody te mają pewne ograniczenia. Jednym z nich jest konieczność stosowania wzierników optycznych o bardzo wysokiej jakości. Uniemożliwia to pomiary tymi metodami w warunkach rzeczywistych, nie mówiąc już o tym, że znacznie podnosi ich koszty. Te istotne ograniczenia zmuszają więc do poszukiwania nowych metod. Całkowicie odmiennym podejściem w diagnostyce procesów spalania jest Pojemnościowa Tomografia Komputerowa.

Metoda opiera się na analizie zmian sygnałów (zmian pola elektrycznego pomiędzy elektrodami), które wywołane są reakcjami chemicznymi podczas spalania.

Badania wykazały, że nośnikami ładunku są głównie jony dodatnie i ujemne oraz wolne elektrony. W praktyce powstają one podczas spalania. Po zebraniu wyników pomiarów zgodnie z algorytmem, komputer dokonuje rekonstrukcji obrazu płomienia, wyświetlając go na ekranie monitora. Ze względu na to, iż otrzymane obrazy pochodzą z określonego przekroju poprzecznego strefy spalania, system ten nie tylko stwierdza obecność płomienia, ale dokonuje też rekonstrukcji strefy reakcji chemicznej. To odróżnia go od stosowanych tzw. czujników płomienia.

Główną zaletą systemu Pojemnościowej Tomografii Komputerowej jest jego prostota i bardzo niski koszt. To powoduje, że jest on prawie idealnym narzędziem diagnostycznym w procesach spalania. Wykorzystanie go w znacznym stopniu wpłynie na ekonomikę użytkowania urządzeń energetycznych oraz na poprawę bezpieczeństwa pracy silników lotniczych.

"Nawet niewielkie odchylenie od optymalnej charakterystyki pracy wtryskiwaczy w tych silnikach może spowodować zaburzenie procesu spalania i znaczne zwiększenie dopuszczalnej temperatury spalin. Z tego samego powodu, rozkład temperatury wewnątrz silnika może być nierównomierny. Może to doprowadzić do przepalenia komory spalania, a w konsekwencji uszkodzenia całego silnika. Dzięki monitorowaniu procesów spalania w czasie rzeczywistym będzie można ocenić poprawność pracy wtryskiwaczy i układu komory spalania. Pozwoli to na wcześniejszą ingerencję obsługi technicznej, kiedy pojawiają się nieprawidłowości w pracy silnika. W ten sposób, w przypadku silników turbinowych, system znacznie zwiększy bezpieczeństwo lotu" – stwierdza profesor.

Uczeni przewidują, że głównymi odbiorcami systemu będą przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją palników przemysłowych. Liczą również na zainteresowanie branży energetycznej i przemysłu rafineryjnego.

Narodowe Centrum Badań i Rozwoju przyznało 1 mln zł na rozwój systemu Pojemnościowej Tomografii Komputerowej w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.