introdcomb_cap05c
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combustion capitulo 5 udecTRANSCRIPT
Desarrollo de Desarrollo de Sistemas de Control Sistemas de Control de Combustide Combustióón n mediante mediante AnAnáálisis lisis FotFotóóniconico
Dr. Oscar Farías FuentesDepto. Ingeniería MecánicaUniversidad de Concepción
Imágenes
Espectros
Métodos ópticos empleados en el presente estudio
IRAF
Proceso de Reducción de Espectros
Radiómetro FieldSpec FRRango: 380 a 2500 nmResolución espectral: 3 nm a 700 nm y 10 nm a 1500 nm.Tiempo de adquisición programable en PC.
Espectro Llamas de CH4-aire
Espectro Llamas Gas y DieselEspectro Llamas Gas y Diesel
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Em
issi
on In
tens
ity (F
uel-O
il fla
me)
0E+00
1E-04
2E-04
3E-04
4E-04
5E-04
6E-04
Em
issi
on In
tens
ity (G
as fl
ame)
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength, nm
Gas flame Fuel Oil flame
CHC2
Focussinglenses
Measuringshutter Aperture
(0.5°*1.5°)
ViewingMirrors
ViewingEyepiece
Diffractiongrating
Silicondiodedetector Objective
Lens
To PCinterface card
Measuring Spot
Espectro llamas de CarbEspectro llamas de Carbóónn
Comparación espectros de llama para Posición n° 14 del dámper
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
340 440 540 640 740 840 940
Longitud de onda (nm)
Inte
nsid
ad
B20 (72% EA) B100 (60% EA) Diesel (65% EA)
Espectro Llamas de BiomasaEspectro Llamas de Biomasa
Bio‐Diesel
0
500000
1000000
1500000
2000000
2500000
3000000
3500000
350 450 550 650 750 850 950 1050
Wavelength (nm)
Inte
nsity
(cou
nt)
Low Air High AirPellets
expc2
51 ⎟
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−−
= Tc
I λλελλ
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==
−
21
2
5
2
1
2
1
2
1 11expλλλ
λεε
λ
λ
λ
λ
Tc
II
R
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−−=
λελ
Lkfvexp1
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−≈
λελ
Lkfv
( )
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
−−=
−−
6
2
1
12
112
ln λλ
λλ
R
cT
Determinación de la TemperaturaMétodo de las 2 longitudes de onda
Ley de Ley de WienWien
RelaciRelacióón de n de KirchoffKirchoff
AproximaciAproximacióón para n para emisividades <0.05emisividades <0.05
ϕCH COCO sI I I
+ =+
= −CH
I Im m1
300 400 500 650 750 1100
400 416 432 448
W avelength, nm
Region freeof specificemissions
Soot + gas
CH+CO Relative EmissionEmissionIntensityW /(sr*m²*nm)
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
400 416 432 448 Wavelength, nm
Im
Is
Soot
CO
CH*1 432= + +ϕ ϕ ϕCH CO s,
ϕCH COs
m
II
+ = −1 432
432
,
,
Concepto de emisión relativa en llamas luminosas (Farías, 1997)
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Tem
pera
ture
, K
0 1 2 3 4 Axial Position from burner exit (x/d)
Tsoot Tgas
I II III
Evolución axial de la temperatura Llama de petróleo
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Em
issi
on R
elat
ive
Inte
nsity
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Axial Position from burner exit (x/d)
CH+CO C2+CO
I IIIII
Evolución axial de las emisiones relativas de CH y C2
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
Em
issi
on in
tens
ity, W
/sr*
m²*
nm
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Axial Position from burner exit (x/d)
Is,432 ICH* ICO,432
I II III
Evolución axial de las emisiones de partículas, CH y CO a 432 nm
MODELO DE LLAMAVISUALISACION para diferentes condiciones de ajuste del aire de combustión
L
D 0 /2 D/2X*
X LL
G
X L
α
z
r
MODELO GEOMETRICO DE LLAMA
Determinación punto máxima radiación de partículas
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 0,5 1 1 ,5 2 2 ,5 30
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Rad
iaci
ón d
e pa
rtícu
las
W/s
r*m
2
y
x = X/X*
Espectro de radiaciónModelación y1
Modelación y2 ( e=0.15 )Modelación y2 ( e=0.23 )Modelación y2 ( e=0.52 )Aprox. del espectro
e=0.15
e=0.23
e=0.52
y1 = (I*-I)/(I*-I0)
y2 = (I*-I)/I*
Ubicación de la máxima emisión de partículas
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
x*/d
20 22 24 26 28 30 32 Fuel-air relative velocity (vr), m/s
8-26%
10-20%
14-21%
16-25%
18-23%
14-14%
14-52%
Inj. Pressure-Air excess
x*/d=0.0908 vr R²=0.975
•
0.73
0.74
0.75
0.76
0.77
0.78
CH
+CO
Rel
ativ
e E
mis
sion
650
700
750
800
850
900
Soot
Rad
iatio
n, W
/(sr*
m²)
1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 Air-fuel Equivalence Ratio
41 42.5
45
50
55 60
CH+CO Rsoot
CO & sootlimit
Air damperangle
3
4
5
6
7
8
9
CO
em
issi
on, p
pm 3
%O
2
74
76
78
80
82
84
NO
em
issi
on, p
pm 3
%O
2
1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 Air-fuel equivalence ratio
0 1 2 3
4
5
6 CO NO
Resultados Resultados piloto control piloto control a partir del a partir del espectro de espectro de llamallama
Normal/ Forward Backward Step Automatic moving moving Selector Operation + -
MICROPROCESSOR
ENCODER
AIR DAMPER
BURNER
SERVOMOTOR
INTERFACECARD
From the burner electriccircuit
MANUALCONTROL
From theSpectrometer
0.795
0.800
0.805
0.810
0.815
0.820
0.825
CH
+CO
Rel
ativ
e E
mis
sion
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 Time, s
Fuel A Fuel A
Fuel B
Ensayos Influencia AerodinEnsayos Influencia Aerodináámica del mica del quemadorquemador
Estabilizador 1Estabilizador 1X1=30mm, S=0.22X1=30mm, S=0.22
X2=19mm, S=0.33X2=19mm, S=0.33
X3=21mm, S=0.45X3=21mm, S=0.45
Estabilizador 2Estabilizador 2X1=16mm, S=0.39X1=16mm, S=0.39
X2=12mm, S=0.51X2=12mm, S=0.51
X3= 9 X3= 9 mmmm, S=0.65, S=0.65
Influencia del Influencia del SwirlSwirl en la forma en la forma de la llamade la llamaXfh=25.5
Xfh=20.5
Xfh=15.5
Xfh=10.5
Xfh=5.5
SwirlSwirl=0.46=0.46
SwirlSwirl=0.54=0.54
SwirlSwirl=0.81=0.81
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014 C
H E
mis
sion
Inte
nsity
, W/(s
r*m
²*nm
)
760
780
800
820
840
860
880
Gas
Tem
pera
ture
Tgc
c,°C
0 1800 3600 5400 7200 Time, s
CH Tgcc
Xfh=20.5S=0.94%
Xfh=15.5S=2.81%
Xfh=10.5S=5.21% Xfh=5.5
S=16.6%
UnstableFlame
SootLimit
S: Dispersion of the CHemission intensity
Influencia del NInfluencia del Nºº de de SwirlSwirl en la en la formaciformacióón de partn de partíículas de hollculas de hollíínn
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60Swirl number
Soot
Coe
ffic
ient
(b)
FN=1.45E-7 m²
FN=2.36E-7 m²
A-burner
B-burner
Influencia del NInfluencia del Nºº de de SwirlSwirl en el en el punto de mpunto de mááxima emisixima emisióón de n de NOxNOx..
10
20
30
40
50
60
0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90
Número de Swirl
Exc
eso
de A
ire, %
Presente estudioFarías, 1997
ImagenOriginal
Imagen BIAS
Imagen domeflat
R
G
B
Imágenes
tratadas
IRAF
Proceso de reducción de Imágenes
Procesamiento Digital de ImProcesamiento Digital de Imáágenesgenes
Definición de LlamaUso de FiltrosAplicación de Índices
Largo Zona de Reacción – LZR
Entropía Histogramas BiVariables
Aspectos TeAspectos Teóóricosricos
Zonas de Interés de la LlamaZona de Reacción (a)◦ Se producen y destruyen radicales libres
OH – 281.1 y 306.7 [nm]CH – 390 y 431.5 [nm]C2 – 516.5 y 563.5 [nm]
Zona de Post-Combustión (b)
Aspectos TeAspectos Teóóricosricos
Zonas de Interés de la LlamaZona de Reacción (a)
Zona de Post-Combustión (b)Zona de OxidaciónFormación de Partículas de Hollín
DefiniciDefinicióón de Llaman de Llama
Eliminar efectos indeseados.C = 0,82
Umbral
FormulaciFormulacióón de n de ÍÍndicesndices
Largo Zona de Reacción – LZR
Mayor nivel de intensidad de imagen en el Filtro Azul (B)
Pixel
Pix
el
Lambda = 1.26
0 80 160 240 320 400 480 560 640
0
120
240
360
480
Pixel
Pix
el
0 80 160 240 320 400 480 560 640
0
120
240
360
480
0 80 160 240 320 400 480 560 6400
40
80
120
Pixel
Inte
nsity
0 80 160 240 320 400 480 560 640-200
-100
0
100
200
Pixel
Pixel
Pix
el
Lambda = 1.49
0 80 160 240 320 400 480 560 640
0
120
240
360
480
Pixel
Pix
el
0 80 160 240 320 400 480 560 640
0
120
240
360
480
0 80 160 240 320 400 480 560 6400
40
80
120
Pixel
Inte
nsity
0 80 160 240 320 400 480 560 640-200
-100
0
100
200
Pixel
Mean
Adjustement
Mean
Adjustement
2º Derivate 2º Derivate
Lambda = 1.26 Lambda = 1.49
EntropEntropíía Histogramas a Histogramas BiBi Variables Variables –– H2DH2D
Histogramas Bi Variables –H2D
Se define en función de 2 filtros de la imagen
En ParticularG, B
R, G
(10,5)
10
5
Figura 5.4. Esquema de Formación del histograma 2-D
ComparaciComparacióón Espectron Espectro--ImagenImagen
1
2
Evolución axial señal imagen en filtro G Llama de premezcla CH4-aire
Evolución radial señal imagen en filtro G Llama de premezcla CH4-aire
Control con cControl con cáámaras maras en llamas de gas no en llamas de gas no confinadasconfinadas
Avances en reconocimiento de patrones y estrategias de control.Desarrollo de software para tratamiento de imágenes.