Program for Gas Flow Simulation in Unhinged Material Program pro simulaci proudění plynu v rozrušeném materiálu

Transkript

1 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Program for Gas Flow Simulation in Unhinged Material Program pro simulaci proudění plynu v rozrušeném materiálu PONČÍK, Josef Ing., Katedra ASŘ-545, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, josef.poncik@vsb.cz, Abstrakt: Tento příspěvek popisuje program pro simulaci proudění plynu v rozrušeném materiálu, který vyvíjím ve vývojovém prostředí programu Delphi. Tvorba programu vycházela z potřeby simulace odsávání plynu na skládkách. Na základě zadaných parametrů (pórovitost, množství vznikajícího plynu, odpor materiálu proti proudění plynu, počet vrtů, aj.) program řeší tlak v jednotlivých místech skládky, dále množství a koncentraci metanu v odsávaném plynu. Cílem programu je časová simulace změn fyzikálních veličin a hlavně množství a koncentrace odsávaného plynu. Skládka je ve všech třech osách pravidelně rozdělena tak, že vzniká síť elementů. Program porovnává hodnoty tlaků mezi sousedními buňkami a řeší množství proudícího plynu mezi nimi. Výsledky jsou zobrazovány na obrazovce s využitím barevného spektra, můžeme však zjistit i přesnou hodnotu. Při simulaci lze měnit hodnoty odsávání, a to jak podtlak vývěvy, tak otevření jednotlivých vrtů. Výsledné hodnoty odsávání jsou průběžně zobrazovány. Klíčová slova: skládka, odpad, odsávání, metan 1 Úvod Na skládkách vzniká biochemickými procesy plyn, jehož podstatnou částí je metan. Vzhledem k vysoké výhřevnosti metanu lze tento skládkový plyn za určitých podmínek účelně spalovat. Ve své práci se zaměřuji na modelování a řízení tohoto odsávání. 2 Cíl projektu Cílem snah o tvorbu programu, bylo vytvořit aplikaci, jenž by umožňovala simulaci procesů a odsávání na skládkách s možností sledovat: rozložení zde vznikajícího skládkového plynu vliv odsávání na únik skládkového plynu do ovzduší vliv délky odsávání na koncentraci metanu v odsávaném plynu a jeho využití 3 Tvorba modelu Pro účel programu jsem vytvořil model skládky tvaru kvádru, rozdělený na několik částí v každé ose. Tím jsem získal model s několika buňkami, které jsem nazval elementy. Každý element představuje v modelu elementární jednotku prostoru. V elementu vzniká plyn a tím se v něm zvyšuje tlak. Na základě různých tlaků mezi sousedními elementy, dochází mezi nimi k výměně plynu. Tím se mění i tlak v těchto zásobnících. Do této sítě jsem ještě umístil vrty sloužící pro odsávání plynu pomocí vývěvy. Program na základě zadaných vzorců (pro lineární model) a parametrů počítá množství proudícího plynu v jednotlivých částech skládky a množství plynu odsávaného. Výpočty proudů a tlaků probíhají vždy pro krátký úsek času (zlomek sekundy) podle požadované přesnosti simulace. Čím menší časový úsek, tím větší přesnost. Při větších časových úsecích jsou výpočty náchylnější k destabilizaci.

2 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Obrázek 1 Rozdělení skládky na elementy s odsávacími vrty 4 Vzorce použité v programu Simulace řízení odsávání plynu na skládce Vzorce, které jsem použil v programu Simulace řízení odsávání plynu na skládce, vycházejí jak z údajů v literatuře, tak ze zkušeností a logických závěrů. Tyto vzorce však nebyly ověřovány v praxi. Proto nemusí být přesné, a jistě také nejsou, jsou však součástí mnou vytvořeného modelu skládky. Vzorec pro výpočet protékajícího množství : Q = p, n R kde je Q objemový průtok [m 3 *s -1 ] p rozdíl tlaku [Pa = kg*m -1 *s -2 ] R odpor úseku [kg*m -4 *s -1 ] n index typu proudění, v programu je použita hodnota 1 Pro odpor odpadového materiálu je použit vzorec: Rm * L R =, S kde je L délka úseku [m] S plocha, kterou plyn proudí mezi elementy [m 2 ] R m měrný odpor [kg*m -3 *s -1 ] Pro výpočet odporu části vrtu jsem použil následující vzorec: R R mv L kde je R mv odpor vrtu o délce 1 m [kg*m -5 *s -1 ] L délka části vrtu Sloučením vzorce pro protékající množství a vzorce pro odpor dostávám vzorce pro výpočet protékajícího množství, které jsem použil v programu: množství protékající odpadovým materiálem p * S Q = R m *, L

3 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, množství protékající vrtem p Q =, R L mv * Prouděním plynu mezi elementy se mění tlak, který je třeba vždy znovu přepočítat. Tlak plynu při stálém objemu (za konstantních fyzikálních podmínek teplota, aj.) je lineární závislostí množství plynu. Pro výpočet tlaku v elementech platí: V * patm p =, V z kde je p tlak v elementu p atm atmosférický tlak V objem plynu při tlaku p atm volný objem elementu V z Volný objem elementu je součtem objemu vzduchových mezer v elementu. 5 Zadávání vstupních hodnot Nastavení skládky lze jak načíst, tak uložit. Před spuštěním simulace lze měnit rozměry skládky, rozdělení skládky na elementy, počet a umístění vrtů. Obrázek 2 Zadávání rozměrů skládky Obrázek 3 Zadávání počtu elementů

4 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Obrázek 4 Zadávání vrtů Hodnoty veličin jsou z jednotlivých vzorků odpadového materiálu propočítány do všech elementů. Po spuštění simulace lze měnit už jen ostatní parametry vzorky materiálu, podtlak vývěvy apod. Obrázek 5 Zadávání vzorků materiálu 6 Průběh simulace v programu Simulace řízení odsávání plynu na skládce Program počítá jednotlivé změny veličin v určitém časovém kroku na základě již výše uvedených vzorců, samotný průběh simulace však řídí sám uživatel. K tomuto má k dispozici několik tlačítek, které jsou zobrazeny pouze, je-li jich v dané chvíli možno použít. Program počítá s parametry přednastavenými, načtenými (ze souboru) a zadanými uživatelem. Informace o průběhu simulace jsou zobrazovány podle typu buď v textové nebo grafické podobě, jak je možno vidět na následujícím obrázku. Ve většině případů lze měnit parametry kliknutím na daný prvek, ať už textový nebo grafický.

5 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Obrázek 6 Zobrazení průběhu simulace Obdélník v zobrazení simulace představuje obvod skládky. Jednotlivé body reprezentují elementy v modelu. Zbarvení bodů je určeno tlakem plynu v elementu. Čáry mezi elementy představují tok plynu a jsou zbarveny podle množství proudícího plynu. Barevná paleta je zobrazena vedle čtyřúhelníku i s přiřazením hodnot. První hodnota je tlak, druhá protékající množství. Toto číselné přiřazení hodnot lze v průběhu simulace měnit kliknutím na danou hodnotu. Uživatel má možnost zvětšit zobrazení skládky dle potřeby, s využitím celé obrazovky. V dané chvíli se vždy zobrazuje jen jedna vrstva elementů, které jsou ve stejné výšce. Výběr zobrazené vrstvy se mění pomocí roletového menu. Informace o množství odsávaného plynu a koncentraci metanu je zobrazována v pravém horním rohu. Aktuální informace k libovolnému elementu lze získat kliknutím na daný element. Obrázek 7 Zobrazení informací o elementu

6 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Tlaky v jednotlivých elementech lze v průběhu simulace uložit do textového souboru, stejně tak hodnoty odsávání. 7 Poslední provedené úpravy a opravy Mezi poslední větší provedené úpravy a opravy patří: oprava chyby způsobující kmitání hodnot tlaku ve vrtu od 4.vrstvy oprava nastavení pórovitosti elementu zaveden přesnější výpočet pro volný prostor ve vrtu možnost zvětšit zobrazení skládky dle potřeby v samostatném okně uživatel si sám volí v kterých elementech budou vrty (dříve mohl zadat jen počet vrtů v osách x a y, počítač vrty rozmístil sám) ještě není zcela funkční různé grafické úpravy zobrazení a tlačítek 8 Závěr Možnosti dalšího rozvíjení: upřesnění vzorců pro proudění plynu materiálem, případně možnost změny vzorce uživatelem vliv teploty, vlhkosti a tlaku přesnost při výpočtech (volba metody výpočtu a kroku řešení) Nabízí se i možnost monitorování stavu fyzikálních veličin na skutečné skládce s řízením odsávání a s možností následné simulace vývoje. 9 Použitá literatura PONČÍK, J Modelování skládek domovního odpadu. Ostrava : Katedra ASŘ VŠB-TU Ostrava, s. TRUNEČEK, T Využití teorie sítí k řešení výstupu plynu z utlumovaných dolů na povrch. Doktorská disertační práce. Ostrava, 2001.