Meten van diffuse emissies van industrile gebouwen Volumestroom

Meten van diffuse emissies van industriële gebouwen: Volumestroom bepaling Raf De Fré*, Jeroen Van

Normen voor bepalen van diffuse emissies • EN 15445: Diffuse dust emissions in heavy industry by Reverse Modelling • EN 15446: Leak Detection and Repair Refineries (cfr. EPA 21) • Gewone diffuse emissies uit industriele gebouwen: geen EN norm beschikbaar – solventgebuikende processen als in EU Solvent Richtlijn – andere processen: geur, dampen , stof – vaak is het nodig om een schatting te maken van deze emissies 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 2

Diffuse emissies uit industriële gebouwen • Alle soorten van situaties – vensters, openingen, poorten… – veel variabelen in process & omgevingsfactoren – meestal lage luchtsnelheden • Grote oppervlakten • Talrijke openingen • Niet-ideale stromingen & meetsecties 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 3

Opzet van dit onderzoek • • Diffuse emissie = volumestroom x concentratie Eerste taak is meten van diffuse volumestroom Simuleren van eenvoudige gevallen Tests op gekende stromen om beste methodes te definiëren • Praktische richtlijnen opstellen op basis van experimenten: Code van goede praktijk • Inschatten van onzekerheid uit proeven 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 4

Experimentele aanpak • Thermische anemometers (TA) eerst beschouwd als beste keuze: – – gevoelig voor lage snelheden: 0, 01 m/s resolutie nauwkeurigheid: 1 - 3% volgens certificaten snelle responstijd kleine sensor elementen • Experimentele controle van de eigenschappen van TA • Metingen op gesimuleerde diffuse emissiestromen – rooster, vensters, poorten… • Turbine of vleugelrad anemometer als alternatief 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 5

Thermische anemometer (hittedraad) principe • Wet van King (1914) voor warmteverlies van oneindig lange warme draad in een luchtstroom: Nu = A + B. Re 0, 5 – empirisch verband tussen 2 constanten A, B en twee dimensieloze getallen (Nu, Re) – Nusselt getal is verhouding tussen warmte transport door stromend medium en door geleiding – Reynolds getal is verhouding tussen hoeveelheid van beweging van stroom en wrijvingskracht (viscositeit) 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 6

Constante Temperatuur Anemometer Sensor E Amp + • CTA meest gebruikt principe • Sensor = hittedraad = weerstand = thermometer in Wheatstonebrug • Direct reactief circuit • Wet van King wordt E 2 = A + B. v 0, 5 • Andere benaderingen: – exponent v = 0, 45 – v = polynoom (E)4 • Responstijd tot msec 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 7

Geteste thermische anemometers TSI Velocicalc 27 November 2020 Höntzsch HTA thin-film Testo 445 • Verschillend tip ontwerp van geteste toestellen • Opening geeft directionele gevoeligheid • Sensor voor omgevingstemperatuur is steeds aanwezig • Höntzsch is hot-film type, (met 1 richting!) • …nog veel andere uitvoeringen op de markt confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 8

Höntzsch dunne-film TA anemometer • Meet een temperatuurverschil • Berekent snelheid uit een polynoom respons vlak v = f (ΔT, T) • Kalibratieconstanten niet toegankelijk voor gebruiker • Responstijd 1 seconde 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 9

Thermische anemometers: kalibratie in windtunnel • • • 27 November 2020 Kalibratie simultaan met referentie Pitotbuis Juistheid ≠ zoals certificaten Lineariteit niet schitterend Verschil tussen merken Verschil tussen identieke types van hetzelfde merk Geen voorziening voor kalibratie, justering of controle door gebruiker confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 10

Thermische anemometers: kalibratie & stabiliteit 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV

Hoeken van stroom of sonde: yaw & pitch • yaw is + als sonde met de klok rond Y draait • pitch is + als achtereind sonde helt, weg van +X in XY vlak • positieve hoeken geven positieve V componenten langs X-, Y- en Z-as • idem voor stroom: yaw is + als je sonde met de klok moet draaien om recht in de stroom te staan tekening naar EPA prel. 007 -2 F, gecorrigeerd 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 12

Ideale hoekrespons voor anemometers 27 November 2020 • Cosinuswet V = Vmax. cos α • Sensor met deze respons is ideaal voor stroom met variabele richting, zoals bij diffuse emissies • Signaal is werkelijke orthogonale stroom door een vlak • Sensor met deze respons laat toe de stroomrichting te zoeken confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 13

Windtunnel: gradenboog voor yaw-hoek 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV –

Yaw respons van TA Höntzsch HTA • Drie thermische anemometers getest bij 3 en 10 m/s in windtunnel door draaien van de sonde • Niet-ideale respons, zeker bij 10 m/s (geen cosinusfunctie) • Maximum niet bij 0°, maar 20° tot 35° TSI 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved TESTO 15

Pitch respons van TA Höntzsch HTA TSI 27 November 2020 • Thermische anemometers getest bij 3 en 10 m/s • asymmetrische respons van alle sondes • sterk niet-ideaal, vooral bij 10 m/s • maximum niet bij 0° (-30° to +30°) TESTO confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 16

Turbine of vleugelrad anemometer • • Testo instrument hier 10 cm 8 -blad 0, 23 m/s startsnelheid 0, 015 m² geprojecteerd oppervlak, incl. handvat op lange dunne sonde bevestigd niet-ideale bladen: plat & versterkt = begint te fluiten & afwijking boven 15 m/s blijft > 5 cm van wand 27 November 2020 10 cm rad 0. 00 m/s sensor Testo vlak vleugelblad uitleesinstrument confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 17

Testo turbine anemometer kalibratie • Kalibratie tegen standaard Pitot in windtunnel • Zeer lineair en juiste respons tot 15 m/s • Groot geprojecteerd oppervlak verhoogt windtunnel snelheid – pitot simultaan y = 1, 03 x – pitot eerst: y = 1, 09 x • Daarom niet gebruiken in kleine doorsneden < 0, 5 m² (3 %-regel volgens ISO 10780 ) 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 18

YAW PITCH 27 November 2020 Hoekrespons van turbine anemometer • Testo instrument getest bij 3 en 10 m/s • Yaw en pitch respons dichter bij de ideale cosinus curves dan TA • Maximum ligt steeds bij 0° • dus goede benadering van de orthogonale stroom • laat toe om richting en zin van de stroomvector te detecteren confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 19

Windtunnel voor simulatie van diffuse emissiestromen: inlaatrooster 27 November 2020 confidential – © 2007,

Windtunnel voor simulatie van diffuse emissiestromen: uitlaatrooster 27 November 2020 confidential – © 2007,

Windtunnel voor simulatie van diffuse emissiestromen: montage voor extra swirl 27 November 2020 confidential

Windtunnel voor simulatie van diffuse emissiestromen 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO

Testen op ronde ventilatorroosters Ventilatorrooster 70 cm Snelheidsprofiel met S-type Pitot • Swirl = yaw & pitch geeft positieve bias bij alle instrumenten • Steile snelheidsgradiënten bv. door schaduw van electrische motor • Meer meetpunten dan ISO 10780 nodig om profiel te tekenen – vereist aangepaste integratie • Pitot bruikbaar indien v > 3 m/s • TA resultaten gaven hier lagere positieve bias dan Pitot 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 24

Afwijkingen van referentiedebiet bij ronde roosters 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO

Debietsmeting op 1 m² open venster 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO

Tests op 1 m² venster met stroombuiger 27 November 2020 confidential – © 2007,

Generatie van een gekende diffuse emissiestroom door een open poort 27 November 2020 confidential

Meting van debiet door een open poort 27 November 2020 confidential – © 2007,

Wisselvallig stroompatroon door een open poort • Factoren buiten en binnen veranderen het stroompatroon – windsnelheid & richting, ΔT en ΔP – proberen constant te houden gedurende meting! • Thermische effecten – + en – stroming – Thermische anemometers geven geen teken: bepaal richting met rook, woldraad, of Kleenex en breng in rekening – Turbine anemometer te verkiezen 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 30

Voorbeeld van temperatuur- en stroomprofielen gemeten met TSI thermische anemometer in open poort • Netto zero debiet (windtunnel uitgezet) – gemeten uit: 170 m³/h – in: 2200 m³/h koude lucht • TA blijkt veel gevoeliger voor koude stroom! • Verschillende responstijd van v en T sensoren! • Conclusies – TA niet goed aangepast voor debietsmeting met temperatuurgradiënten – Ventilatievoud? beter bepalen met tracer 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 31

Meetonzekerheid diffuse emissiestromen • Diffuse emissiestromen kunnen niet zo accuraat worden gemeten als geleide stromen • Type B fouten (Bias) zijn bepalend voor de nauwkeurigheid – door swirl, snelheids- en temperatuurgradiënten, aantal punten in sectie – over ‘t algemeen positieve fouten – selectie van het instrument is kritisch • Verwacht grote onzekerheden voor individuele openingen (30 40%) • Statistisch betere nauwkeurigheid voor de som van vele openingen 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 32

Meetonzekerheid: kleine openingen 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all

Meetonzekerheid: open poorten 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all

Conclusies – Waarschuwing vooraf • • Conclusies uit beperkt aantal experimenten hier uitgevoerd Diffuse debieten zijn meetbaar, niet zo goed als geleide stromen Grote fouten zijn mogelijk, vooral positieve Risico op grote fouten vooral bij – – Lage snelheden Grote openingen Afwijkende stromingshoeken (swirl) Temperatuurgradiënten • Dubbele controle of verificaties toepassen waar mogelijk! 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 35

Conclusies – Richtlijnen op basis van deze proeven • Openingen < 0, 5 m²: gebruik thermische anemometer of pitot • Openingen > 0, 5 m²: gebruik 10 cm turbine anemometer • Gebruik standaard puntenrooster (ISO 10780) zoals voor schouwen – meer punten OK, maar neemt doorgaans teveel tijd • Neem korte duur meting op elk punt (< 30 sec. ) – eenzelfde vlak wordt best in zo kort mogelijke tijd gemeten – let op veranderingen in meteo en bedrijf – beter heel vlak nogmaals doormeten dan langere tijd per punt 27 November 2020 confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 36

Conclusies – Richtlijnen op basis van deze proeven • Poorten & deuren: Noteer steeds teken van stroom • Herhaal of meet meerdere openingen om type A onzekerheid te beperken • Beperk type B onzekerheid (systematische fout): – – – 27 November 2020 aangepast meetinstrument aan snelheid en condities meet bij constante condities van proces & omgeving kalibratiefactor van de anemometer kan zeer relevant zijn vermijd extreme bias door afwijkende stromingsrichtingen, swirl… noteer sterke temperatuurgradiënten: let op keuze en gedrag van het meetinstrument confidential – © 2007, VITO NV – all rights reserved 37