Värivalokuvaukseen perustuva kaksiväripyrometria polttotekniikan sovelluksissa
Tapio, Teemu (2015)
2015
Teknis-luonnontieteellinen koulutusohjelma
Luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-05-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201504241245
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201504241245
Tiivistelmä
Biopolttoaineiden lisääntynyt käyttö suomalaisessa energiantuotannossa on lisännyt kiinnostusta sen polttoprosesseissa tapahtuvia palamisreaktioita kohtaan. Biopolttoaineiden palamisominaisuuksia voidaan tutkia kokeellisesti. Kokeellisen tutkimuksen avulla päästään käsiksi numeerisissa palamismalleissa esiintyviin parametreihin, joita optimoimalla polttoprosesseja voidaan kehittää puhtaammiksi ja energiatehokkaammiksi. Polttoaineiden ominaisuuksia tutkittaessa niiden palamislämpötilan luotettava mittaus on tärkeää. Tässä diplomityössä tehtiin selvitystä, miten polttoprosesseissa esiintyviä korkeita lämpötiloja voidaan mitata digitaalista värivalokuvausta käyttämällä.
Työssä luotiin teknologiapohja tavallisella digitaalisella värikameralla suoritettavaan korkealämpötilamittaukseen. Tavoitteena työssä suoritetuissa mittauksissa oli menetelmän toimivuuden todentaminen. Mittaustekniikka perustuu optiseen kaksiväripyrometriaan. Pyrometriassa lämpötilaa mitataan kosketuksettomasti mittauskohteen emittoiman lämpösäteilyn voimakkuuden perusteella. Kaksiväripyrometriassa säteilyvoimakkuutta mitataan kahdella toisiaan lähellä olevalla kapealla aallonpituuskaistalla. Värikameralla suoritettava korkealämpötilamittaus pohjautuu näkyvän valon ja lähi-infrapunavalon, tai pelkästään näkyvän valon, taltioimiseen kameran valoherkän kuvakennon avulla.
Diplomityössä toteutettiin CCD-suurnopeusvärikameraan perustuva mittalaite, jolla palavan polttoainehiukkasen pintalämpötilaa ja fyysistä kokoa voidaan mitata kaksiväripyrometriaa soveltaen. Mittalaite kehitettiin polttoainehiukkasten tutkimuslaitteistona käytettävään pudotusputkireaktoriin. Työssä suunnitellun mittaustekniikan avulla on mahdollista mitata myös yksittäisen hiukkasen putoamisnopeus reaktorissa yhtäaikaisesti hiukkasen pintalämpötilan ja koon kanssa. Työssä kehitettiin laskentaohjelmisto palavan polttoainehiukkasen pintalämpötilan laskemiseksi CCD-värikameralla otetusta mittauskuvasta.
Värikameralla suoritettavaa korkeiden lämpötilojen mittaustekniikkaa sovellettiin työssä myös toiseen polttotekniikan tutkimussovellukseen. Sovelluskohteessa mitattiin laboratorioreaktorissa palavan rapsipelletin pintalämpötiloja palamisen eri vaiheissa ja rapsipelletin eri osissa. Mittalaitteena käytettiin kaupallista CMOS-järjestelmäkameraa. Järjestelmäkameralla otetuille mittauskuville suunniteltiin laskentaohjelmisto, jonka avulla voidaan laskea pintalämpötilajakaumia mille tahansa palavalle polttoainepartikkelille. Etuina kaupallisen järjestelmäkameran käyttämiselle korkeiden lämpötilojen mittalaitteena ovat niiden edullisuus, kompaktius, helppokäyttöisyys sekä laaja saatavuus.
Työssä luotiin teknologiapohja tavallisella digitaalisella värikameralla suoritettavaan korkealämpötilamittaukseen. Tavoitteena työssä suoritetuissa mittauksissa oli menetelmän toimivuuden todentaminen. Mittaustekniikka perustuu optiseen kaksiväripyrometriaan. Pyrometriassa lämpötilaa mitataan kosketuksettomasti mittauskohteen emittoiman lämpösäteilyn voimakkuuden perusteella. Kaksiväripyrometriassa säteilyvoimakkuutta mitataan kahdella toisiaan lähellä olevalla kapealla aallonpituuskaistalla. Värikameralla suoritettava korkealämpötilamittaus pohjautuu näkyvän valon ja lähi-infrapunavalon, tai pelkästään näkyvän valon, taltioimiseen kameran valoherkän kuvakennon avulla.
Diplomityössä toteutettiin CCD-suurnopeusvärikameraan perustuva mittalaite, jolla palavan polttoainehiukkasen pintalämpötilaa ja fyysistä kokoa voidaan mitata kaksiväripyrometriaa soveltaen. Mittalaite kehitettiin polttoainehiukkasten tutkimuslaitteistona käytettävään pudotusputkireaktoriin. Työssä suunnitellun mittaustekniikan avulla on mahdollista mitata myös yksittäisen hiukkasen putoamisnopeus reaktorissa yhtäaikaisesti hiukkasen pintalämpötilan ja koon kanssa. Työssä kehitettiin laskentaohjelmisto palavan polttoainehiukkasen pintalämpötilan laskemiseksi CCD-värikameralla otetusta mittauskuvasta.
Värikameralla suoritettavaa korkeiden lämpötilojen mittaustekniikkaa sovellettiin työssä myös toiseen polttotekniikan tutkimussovellukseen. Sovelluskohteessa mitattiin laboratorioreaktorissa palavan rapsipelletin pintalämpötiloja palamisen eri vaiheissa ja rapsipelletin eri osissa. Mittalaitteena käytettiin kaupallista CMOS-järjestelmäkameraa. Järjestelmäkameralla otetuille mittauskuville suunniteltiin laskentaohjelmisto, jonka avulla voidaan laskea pintalämpötilajakaumia mille tahansa palavalle polttoainepartikkelille. Etuina kaupallisen järjestelmäkameran käyttämiselle korkeiden lämpötilojen mittalaitteena ovat niiden edullisuus, kompaktius, helppokäyttöisyys sekä laaja saatavuus.