Hidrogén térfogatáram-mérés
Kihívások, nehézségek és megoldások
Miért kiemelten fontos a hidrogén tömeg- vagy térfogatáramának mérése?
Aligha lehet kérdés, hogy a hidrogén felhasználása során kritikus szerephez jut az áramló mennyiség pontos mérése.
A fogyasztás pontos ismerete előfeltétele annak, hogy a hidrogént biztonságos, gazdaságos, megbízható és kiszámítható fűtőanyagként használhassuk, akár közlekedésben és szállítmányozásban, akár fűtéstechnikai- vagy villamosenergetikai alkalmazásokban.
Az úgynevezett Zöld Hidrogén, melyet elektrolízissel, megújuló erőforrásokat felhasználva állítanak elő, egyfajta energiatárolási lehetőséget biztosít az egyébként megjósolhatatlan hozamú források (szél- és napenergia) számára. Az ilyen tárolóegységek szintén tartalmaznak áramlásmérőket.
Maguk az elektrolizálók is nagyban támaszkodnak ilyen mérési adatokra. Mivel idővel csökken az elektrolízis hatásfoka, a valós- és elméleti hozam állandó felügyelete nélkül nem készíthető pontos karbantartási terv, és nem minimalizálható a termelés tömegegységre vonatkoztatott átlagos költsége. Fontos követelmény, hogy az áramlásmérő nyomásvesztesége a lehető legalacsonyabb legyen, hiszen az elektrolizáló berendezések általában 35 bar alatti nyomástartományban üzemelnek.
A hidrogén meghajtású járművek töltési folyamata nagyban eltér a hagyományos, folyékony tüzelőanyagot használó belsőégésű motoros járművekétől. A töltés kezdetén a jármű tankjában alacsony (akár 1-2 baros) nyomás uralkodik, míg a töltőrendszer nyomása igen magas (700+ bar). Ahogy a tank megtelik, és a nyomása növekszik, a töltés sebessége csökken. Közben a hidrogén hőmérséklete is folyamatosan változik, különösen a rendszerben található szabályozóelemeknél (fúvókák, szelepek, kompresszorok). Elengedhetetlen tehát a gáz jellemzőinek pontos ismerete, hiszen ha – például – 350 baros nyomás, és 20 °C hőmérséklet mellett a sűrűség számításában 1%-os a hiba, akkor a teljes tömegáramban 0,5% eltérés jelentkezik. Ezért a mérőrendszernek folyamatosan figyelnie – és adott esetben szabályoznia – kell a nyomást és hőmérsékletet (lásd a Joule-Thomson hatásról szóló bejegyzésünket).
A térfogat/tömegáram mérésének lehetőségei
A különböző gázipari alkalmazásokban évtizedek óta fejlesztenek mérőegységeket, azonban ezek nem mind, vagy nem könnyen ültethetőek át hidrogénes rendszerekre (lásd alább). Általános szabály, hogy ilyen alkalmazások esetén ajánlott kerülni a mozgó alkatrészeket, mert ezek kopása és elhasználódása további bizonytalansági faktorokat visz a mérésbe. A legtöbb, hidrogént használó alkalmazásban csak robbanásbiztos (ATEX) kivitelű mérőeszköz fogadható el. Ezen feltételeket számbavéve három fő típus jöhet szóba:
1. Ultrahangos mérőeszközök
Az ultrahangos mérés során először az áramlás irányába, majd azzal ellentétesen bocsátanak ultrahang-hullámokat a mérendő közegbe. Előbbi rövidebb idő alatt érkezik a vevőhöz hiszen a hullám mintegy “utazik” az áramlással. A két mért idő, illetve a közegben jellemző hangsebesség ismeretében kiszámítható az áramlás sebessége. Számos más gáz esetében ipari alkalmazásban elterjedten használják őket, mivel a mérőeszközön a nyomásesés minimális, hiszen gyakorlatilag nem csökkentik a cső áramlási keresztmetszetét.
Specifikusan hidrogén közegben történő alkalmazásuknak azonban számos nehézsége van:
- A hidrogén rendkívül jól elnyeli az ultrahang tartományú hullámokat (alacsony sűrűsége miatt), így a jel/zaj arány igen kedvezőtlenül alakul.
- A hidrogén viszkozitása és sűrűsége alacsony (rendre nagyjából 80%, illetve ⅛-a a metánénak), a hang terjedési sebessége benne viszont igen magas, mintegy háromszorosa a metán közegben mérhetőnek. Mivel ez az érték nagyban függ a nyomástól és hőmérséklettől, komoly pontatlanságot vihet a mérésbe.
- Kevés az ipari tapasztalat, illetve ennek következtében a megbízható kalibráció hidrogénipari alkalmazásokra.
- A hidrogénes rendszerek gyakran igen nagy nyomáson működnek (akár 700+ baron), mely a legtöbb, más közegekre kifejlesztett műszer működési tartománya fölött van.
Összességében elmondható, hogy még hosszú fejlesztés és kísérletezés szükséges ahhoz, hogy elterjedt, elérhető árú és megbízható ultrahangos térfogatáram-mérők álljanak rendelkezésre a H2 iparban. Járműves alkalmazásnál külön nehézséget jelent, hogy kialakult áramlást kell biztosítani a szenzor csőszakaszában, így mind az alvíz, mind a felvíz oldalon hosszú, egyenes szakaszokra van szükség, mely nem mindig kivitelezhető.
2. Coriolis-elven működő eszközök
A Coriolis mérők direktben tömegáramot mérnek, így nincs szükség a sűrűség ismeretére. Rezgésbe hozott csövek segítségével mérik az átáramló tömeget, melyek merevsége azonban érzékeny lehet a nagyon alacsony hőmérsékletre, vagy nagyon magas nyomásra, utóbbi hangsúlyozottan fordul elő a H2 iparban, de a mérőrendszerek ezt általában a számítás során kompenzálják. Noha maga a mérőeszköz helyigényesebb, működéséhez nem szükséges kialakult áramlás, így beépítési feltételei kedvezőbbek az ultrahangos mérőknél. A nyomásesés azonban a három típus közül itt a legjelentősebb. Ezen felül érzékenyek a környezet rezgéseire, és a csöveket érő mechanikai hatásokra, így járműipari alkalmazásuk korlátozott. Általában jelentős költségvonzatuk van, illetve használat előtt mindenképpen kalibrálni kell hidrogénre, ami megfelelő referencia-mérés hiányában meglehetősen nagy kihívást jelenthet.
3. Nyomáskülönbségen alapuló mérés
A harmadik lehetőség a nyomáskülönbségen alapuló mérőeszköz, mely egy kisebb, kontrollált nyomásesést hoz létre az áramlásban, majd ebből a Bernoulli-egyenlet segítségével számol térfogatáramot. Egy kalibrált mérőperemmel leszűkítik az áramlási keresztmetszetet, és a geometria, valamint az anyagjellemzők ismeretében a térfogatáram meghatározható. A szükséges nyomásesés általában alacsony, vagy közepes (a fentebbi eszközökhöz viszonyítva). Bizonyos típusoknál előírás a kialakult áramlás, akár 19-40D egyenes csővel a felvíz oldalon, vannak azonban olyan megoldások, melyek ezt ki tudják küszöbölni. Parnerünk, a GM Flow által kifejlesztett kúpos nyomáskülönbség-mérő (DP Cone meter) pontosan ilyen. A skóciai cég, a csapatban összesen 100 éves fejlesztői, tervezői tapasztalattal rendelkezik gázok áramlásának mérésben, és legújabb szabadalommal védett eszközük, a Hy-Cone kifejezetten hidrogénes alkalmazásokhoz készült. A nyomásesés az eszközön kevesebb, mint 1 bar és nem tartalmaz mozgó alkatrészeket, ezért megbízhatóan biztosítja a lehető legnagyobb hozamot az eszközön keresztül. Szívesen ajánljuk az Ön H2 projektjéhez is!
Kép forrása: https://www.gmflow.co.uk/flow-measurement/
Források:
