L14. Măsurarea emisiilor poluante în emisie cu gazoanalizorul TESTO. 14.1. Principiul de analiză al gazoanalizoarelor din familia TESTO. Principiul de analiză se bazează pe modificarea intensităţii curentului galvanic generat de o pilă galvanică a cărui electrolit îşi modifică proprietăţile, în urma reacţiei sale cu componenta gazoasă ce trebuie detectată şi a cărei concentraţie trebuie măsurată. Celulele de măsură sunt chiar nişte elemente galvanice. Acestea generează un curent proporţional cu numărul ionilor ce disociază în soluţia de electrolit, ca urmare a interacţiunii cu gazul în cauză. Important este ca doar componenta gazoasă respectivă din întregul amestec gazos analizat, să producă acest efect. Din timp în timp, se impune schimbarea electrozilor şi a electrolitului, având în vedere fenomenul de îmbătrânire, fenomen ce se manifestă indiferent dacă aparatul este utilizat sau nu. Analizoarele construite după acest principiu sunt mult mai ieftine comparativ cu analizoarele în IR, dar nu pot fi folosite decât la determinări de scurtă sau medie durată, de obicei în aparate portabile. În cazul utilizării lor la determinări continue de lungă durată, se produce o accentuare a fenomenului de îmbătrânire a electrozilor şi a elctrolitului. Se pot determina concentraţii pentru următoarele gaze: O, CO, H S, NO, NO, SO, etc. Senzorii electrochimici cu lichid prezintă câteva avantaje hotărâtoare faţă de alte tipuri de senzori fiind miniaturali, robuşti, neavând nevoie de o întreţinere deosebită, în condiţiile unei manevrabilităţi uşoare şi a unui preţ accesibil. În figura 14.1 s-a reprezentat principiul de funcţionare al senzorului cu doi electrozi, specific detectării O. Proba de gaz difuzează printr-o membrană spre electrolitul alcalin. Fig. 14.1: Schema simplificată a senzorului cu doi electrozi (pentru ).
Pe catod are loc următoarea reacţie chimică: O + H O + 4e - = 4 OH - (14.1) Electronii necesari în reacţia (14.1) provin din oxidarea materialului din care este constituit anodul (anodul este realizat din Pb) conform reacţiei următoare: Pb 4OH - = PbO H O 4e - (14.) Sumând reacţiile (14.1) şi (14.), obţinem reacţia globală (14.), care indică oxidarea plumbului ce constituie anodul celulei cu doi electrozi, pe toată durata de viaţă a senzorului: O + Pb = PbO (14.) Electrolitul nu se consumă, în schimb anodul de Pb înregistrează în timp o oboseală şi se consumă, ceea ce limitează durata de viaţă a senzorului la circa trei ani. Separarea spaţială a reacţiilor (14.1) şi (14.) permite generarea unui semnal electric proporţional cu concentraţia oxigenului din amestecul de gaze ce difuzează prin bariera senzorului. În figura 14. se prezintă schema funcţională a senzorului cu trei electrozi, folosit în general pentru determinarea gazelor toxice NO, NO, CO, SO şi exemplificat pentru cazul concret al determinării concentraţiei de CO. Fig. 14.. Schema senzorului cu trei electrozi 1, 5 - Barieră de difuzie, - Anod, - Electrolit (H SO 4 ), 4 - Catod, 6 - Gaz de referinţă, 7 - Electrod de referinţă, 8 - Regulator de tensiune continuă. În afara anodului (numit şi electrod activ) şi a unui contraelectrod (catodul), aparatul este prevăzut şi cu un electrod de referinţă. Proba de analiză difuzează prin bariera de difuzie şi suferă o descompunere chimică pe anod, care are şi rol de catalizator. Pentru cazul determinării concentraţiei de CO în proba de analiză se exemplifică reacţia (14.4), ce are loc pe anod, reacţia (14.5), care se desfăşoară pe catod şi reacţia sumă (14.6). Se remarcă avantajul oferit de senzorul cu trei electrozi faţă de cel cu doi electrozi deoarece electrozii nu se consumă, deşi sunt şi ei supuşi unui fenomen de îmbătrânire. Fenomenul de îmbătrânire al electrozilor se datorează acţiunii lor catalitice şi determină limitarea duratei de viaţă a senzorului la circa doi ani. CO + H O = CO + H + + e - (14.) 1/O + H + + e - = H O (14.4) CO + 1/O = CO (14.5)
Regulatorul de tensiune constantă (continuă), prevăzut între electrodul activ (anod) şi electrodul de referinţă, are rolul de a evita modificarea potenţialului electrodului activ datorat curentului generat prin reacţiile (14.) şi (14.4). Prin aceasta, se măresc stabilitatea şi domeniul de măsură al senzorului. Valoarea tensiunii dintre electrodul activ şi cel de referinţă precum şi alegerea adecvată a electrodului şi electrolitului asigură o selectivitate corespunzătoare a senzorului. Suplimentar se iau şi măsuri pentru a se asigura o sensibilitate selectivă prin înglobarea constructivă a unor filtre, care absorb componentele gazoase perturbatoare. 14.. Principiul de funcţionare şi descrierea gazoanalizorului TESTO 50 M/XL. Gazoananalizorul TESTO 50 M/XL este un echipament performant de determinarea a emisiilor gazoase din gazele de ardere, determinarea acestora realizându-se în celule speciale, în urma unor reacţii electro-chimice de tip Peltier. Gazele analizate sunt SO, CO, C mh n, O, NO şi NO. De asemenea, determină coeficientul excesului de aer şi, prin calcul, concentraţia de CO, viteza de curgere a gazelor şi debitul masic (numai dacă se ia în calcul secţiune de curgere) pentru toate speciile de gaze analizate. Aparatul este format din trei subansamble principale: unitatea de analiză, unitatea de control şi sonda de prelevare a gazelor. Opţional se pot ataşa diferiţi senzori de temperatură precum şi o sondă Pitot-Prandtl. Unitatea de analiză este echipată cu două intrări diferite pentru senzorii de temperatură: una pentru determinarea temperaturii gazelor prelevate şi una pentru altă utilizare, spre exemplu pentru determinarea temperaturii ambiante. Unitatea de analiză conţine celulele de reacţie, bateria de acumulatori, filtrele pentru reţinerea impurităţilor solide din gazele de ardere si aer, decantorul pentru condens şi conexiuni electro-pneumatice, aşa cum reiese din figurile 14. şi 14.4. Fig. 14.. Unitatea de analiză 1 - Conexiuni transfer de date; diluţie; semnal de alarmă; 4 senzor opţional de temperatură; 5 conectare sondă. Gazul aspirat prin sondă este introdus în celule de reacţie când pompa de gaz este pornită manual sau automat. Înainte însă gazul de analizat este răcit brusc la 4 8 C, având loc precipitarea condensatului cu absorbţie scăzută de NO şi SO, condensat ce este evacuat la intervale regulate de timp de o pompă de condens. Gazul
uscat trece apoi printr-un filtru special, în vederea reţinerii particulelor solide. Acest filtru funcţionează şi ca o capcana pentru apă: dacă mai există apă în gazele aspirate filtrul devine impermeabil, prin închiderea porilor în contact cu apa, protejând astfel senzorii şi pompa. Fig. 14.4. Unitatea de analiză. 1 contacte electrice; leduri de control; Filtru particule solide; 4 Filtre reţinere particule din aerul aspirat; 5 - colectare condens; 6 Celule de analiză; 7 sistem integrat de determinare a vitezei şi presiunii gazelor; 8 conexiunii (vezi şi fig. 14.). În urma reacţiilor Peltier se emite un semnal electric trimis şi prelucrat în unitatea de control, fiind afişate valorile concentraţiei emisiei gazelor analizate. Surplusul de gaz este evacuat continuu. Celula de C mh n este diferită, concentraţia de hidrocarburi fiind determinată prin oxidare catalitică, ceea ce presupune existenţa unei cantităţi minime de O în gaze de aproximativ %. Celula este închisă automat dacă valoarea O este sub %. De asemenea, este posibilă şi închiderea manuală a celulei de hidrocarburi. Pentru măsurători de anvergură (monitorizarea mai multor surse) se pot interconecta până la 8 unităţi de analiză, echipate identic sau diferit şi până la 0 unităţi separate de achiziţie de date (pentru determinări de viteză, temperatură, umiditate, etc.) ca în figura 14.5, toate conectate la aceeaşi unitate de control şi/sau la un PC. Unitatea de control (figura 14.6) este un dispozitiv de măsurare ce poate fi utilizat şi independent de unitatea de analiză, însă NU pentru determinarea emisiilor gazoase. Este echipat cu conexiuni de intrare la care pot fi conectaţi (pe lângă unitatea de analiză) senzori de temperatură, umiditate, viteză, turbulenţă, presiune, curent şi tensiune, precum si turaţie. Pot fi afişate grafic până la 6 canale simultan. Unitatea de control poate fi operată fie cu ajutorul tastaturii fie al unui creion de contact (touchpen). Pe lângă valorile datelor măsurate mai sunt afişate informaţii cum ar fi configurarea sistemului şi locaţie. Este echipată cu sursă de lumina pentru operarea în condiţii de întuneric. Prin conectarea unui sistem de achiziţie de date se pot extinde intrările pentru senzori. Unitatea este echipată cu memorie proprie, în care se pot stoca până la 50.000 de date, precum si cu o imprimantă încorporată pentru tipărirea acestora. Datele măsurate pot fi transferate şi către un PC printr-o interfaţă de tip serial.
Fig.14.5. Interconectarea aparatelor pentru măsurători continue complexe. Fig. 14.6. Unitatea de control. 1 imprimantă, touch-pen (creion de contact), bară pentru informaţii de sistem, 4 afişare valori măsurate, 5 bară pentru informaţii legate de funcţionare, 6 taste operare funcţiuni, 7 tastatură, 8 conectare sondă presiune, 9 conectare probă, 10 conectare unitate de analiză, 11 interfaţă serială.
Prin conectarea la PC gazoanalizorul TESTO 50 M/XL poate fi folosit la măsurători de lungă durată (săptămâni), fiind controlat de un program special, ComSoft. Aparatul poate fi echipat cu mai multe sonde de prelevare a gazelor. Acestea diferă în funcţie de caracteristicile gazelor prelevate. Astfel exista diferenţe între sondele destinate prelevării gazelor de eşapament sau gazele evacuate la coş, de intervalul de temperaturi de operare, de dimensiunile canalului de curgere a gazelor şi pot fi sonde încălzite sau nu. În figura 14.7 este prezentată sonda de prelevare a gazelor evacuate la coş, sondă cu tubulatură încălzită la 180 C şi operează la temperaturi de maximum 100 C. Fig. 14.7. Sonda de prelevare a gazelor. Odată cu prelevarea şi determinarea concentraţiei noxelor gazoase din gazele de ardere, aparatul calculează instantaneu următorii parametrii: - bioxidul de carbon, CO : max max C (1 ) C % (14.6) 1 în care: CO.max - valoarea maximă de CO specifică combustibilului, în %, - pierderea de căldură cu gazele evacuate, qa (conf. ecuaţiei Siegert): A q A t F t A B K (14.7) (1 ) în care: t F temperatura gazului prelevat; t A temperatura mediului ambiant; A şi B factori specifici combustibilului; O conţinutul de oxigen măsurat în gazele de ardere, în %; K - factor ce converteşte diferenţa de temperatură la coş în pierderi relative la coş. Dacă factorii A şi B sunt nuli se corectează ecuaţia Siegert cu factorul f, specific combustibilului: (FT AT) q A f (14.8) CO - randamentul arderii,, ţinînd cont doar de pierderile de entalpie la coş: η 100 qa (14.9) - coeficientul excesului de ardere, :
C.max (14.10) C - oxizi de azot, NO x (cu o bună aproximaţie): NO x NO NO (14.11) - viteza de curgere a gazelor, w [m/s]: 575 Δp (FT 7,15) w α (14.1) p în care: p presiunea absolută [Pa]; p presiunea dinamică, indicată în [mbar] şi convertită în [Pa]; - factorul tubului Pitot, între 0 1.50 - debitul de gaze evacuate, V [m /s]: S V w 10.000 (14.1) în care S este secţiunea canalului de curgere, în [cm ]. - debitul masic pentru CO, NO, SO : kg M CO kg 0 p 6 m m CO CO FGas V 10 600 h.4 m T T p 0 ppm m kg M NOx kg 0 p 6 m m NOx NO x FGas V 10 600 h.4 m T T p 0 ppm m kg M S kg 0 p 6 m ms SO FGas V 10 600 h.4 m T T p 0 ppm m în care: CO, NO x, SO concentraţii volumice măsurate în [ppm]; T temperatura medie a gazelor prelevate în [K]; T 0 = 7.15 [K] p presiunea absolută în [Pa]; p 0 = 1015 [Pa] F Gas factor de umiditate, depinde de natura combustibilului. M CO, M NOx şi M S mase molare în [mol]. Se observă că se realizează şi conversia automată a unităţilor de măsură pentru emisiile gazoase, conform relaţiilor cunoscute din literatura de specialitate. 14.. Mersul lucrării şi modul de lucru. După interconectarea celor trei elemente ale analizorului (unitate de control, unitate de analiză şi sondă) se porneşte aparatul fie prin conectarea acestuia la reţeaua electrică de 0 V fie la bateria proprie de acumulatori. În acest moment aparatul intră automat în procedura de calibrare la 0 şi spălare a celulelor de reacţie, figura 14.8. Sonda aparatului NU trebuie să fie introdusă în canalul de evacuare a gazelor arse. În figura 14.1 se prezintă, în extenso, posibilităţile de programare ale gazoanalizorului.
După intrarea în regim a aparatului acesta trebuie programat să achiziţioneze şi să afişeze datele care prezintă interes pentru utilizator. În figura 14.9 se prezintă afişajul aparatului. Fig. 14.8. Calibrarea la 0, Testo 50 Fig. 14.9. Display, Testo 50 Diferitele meniuri pot fi afişate în extenso fie prin atingerea ecranului cu un creion de contact (touch-pen) fie prin apăsarea tastelor din dreptul meniurilor. Fiecărui meniu îi corespunde unul sau mai multe submeniuri. În figura 14.9 se prezintă detaliat fiecare submeniu în parte şi parametrii caracteristici fiecăruia. Astfel, se observă că aparatul poate fi programat să pornească automat, pot fi alese unităţile de măsură pentru fiecare parametru în parte, seta tipul canalului de curgerea a gazelor, etc. Este obligatorie setarea aparatului pentru tipul de combustibil corespunzător, din baza de date a aparatului (lignit, cărbune brun, gaz, GPL, etc.),figura 14.10 şi alegerea corectă a valorilor pentru oxigenul de referinţă, O ref, şi CO max. Fig. 14.10. Alegerea combustibilului După setarea parametrilor pe care dorim să-i măsurăm, figura 14.11, se introduce sonda în canalul de gaze şi se porneşte măsurarea. Datele măsurate pot fi
memorate sau notate. Astfel se va întocmii un tabel (tabela 14.1) în care se va nota compoziţia gazelor de ardere. Fig. 14.11. Setarea parametrilor, Testo 50 Tab. 14.1. Compoziţia gazelor de ardere. Nr. Crt. tcoş [C] [%] CO [ppm] NO [ppm] N [ppm] S [ppm] C [%] CnHm [ppm] [-] 1 71 18.1 85 9 0 5.5 10 7 74.9 18. 6.7 10 0 7.5 0 7.5.............................. 10 76.4 18.4 5.7 11 0 7. 10 8.4 Media 75.04 18.4 4.54 10.5 0.00 5.. 15 8.18 Pentru raportarea valorilor măsurate la legislaţia în vigoare trebuie făcută conversia acestora din [ppm] în [mg/m N], cu relaţiile: ref MCO 1 CCO[ mg / m N ] CO[ ppm].4 1 O C C M N 1 [ mg / m N ] ( NO N )[ ppm].4 1 O NO ref M S 1 SO [ mg / m N ] S.4 1 [ ppm] unde 1 reprezintă concentraţia oxigenului în aer, în [%]. ref Valorile astfel calculate se vor compara cu valorile limită prevăzute în legislaţia în vigoare, pentru instalaţia de ardere analizată, tabela 14., şi se vor analiza rezultatele. Tab. 14.. Valorile concentraţiilor medii măsurate şi comparaţia cu legislaţia. Valori medii masurate Valori maxim admise conf. ORD 46/199 Sursa emisii CO NOx S CO NOx S [mg/m N] [mg/m N] [mg/m N] [mg/m N] [mg/m N] [mg/m N] x 1569.8 54.46 48.09 50 500 000
Fig. 14.1. Organigrama meniului gazoanalizorului Testo 50. Bibliografie: 1] Ionel I., Ungureanu C. - Intre tradiţie şi realitate, Ecoclima, nr., pp. 4-6, martie 1995. Ionel Ioana: Măsurarea emisiilor din gazele de ardere cu ajutorul senzorilor electrolitici, Conferinţa naţională de termotehnică, Vol. I, 1994, iunie, Timişoara, pp. 1-5. ***, Prospect de firmă TESTO 50 M-XL, Testline, 00.