28. Mai 2024

Hochpräzise Silikonöl-Durchflussmessung bei 300 °C am Standort Köln gelungen

Arbeiten an der Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV)
Das berührungslose, optische Messverfahren dient der punktuellen Bestimmung von Geschwindigkeitsvektoren in Fluidströmungen wie Flüssigkeiten oder Gasen.
  • PTB und DLR haben erfolgreich Druchflussmessungen per Laser-Doppler-Velozimetrie im Silikonöl HELISOL XLP bei 300 Grad Celsius durchgeführt.
  • Die hochgenaue Volumenstrommessung ist die Grundlage für Wirkungsgradmessungen in solarthermischen Kraftwerken und Industrieanlagen.

Der mobile Pumpen- und Wärmeträgerteststand MOPUW ermöglicht die Demonstration und Erforschung neuartiger Wärmeträgerfluide im Technikumsmaßstab. Bei der nun abgeschlossenen ersten Messung mittels Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV) bei 300 Grad Celsius hat das DLR in Kooperation mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) den Nachweis erbracht, dass sich Druchflussraten transparenter Medien bei 300 Grad Celsius hochpräzise optisch vermessen lassen.

Dazu wurde das LDV-Messsystem der Arbeitsgruppe 7.52 der PTB nach Köln-Porz verbracht und am MOPUW installiert. Die Lasersonden des Systems können durch temperaturfeste Schaugläser das vorbeiströmende Medium vermessen. Wenn dann der Messpunkt an verschiedene Stellen in der Strömung bewegt wird, kann so jeweils lokal ihre Geschwindigkeit ermittelt werden. So wird ein Strömungsprofil aufgezeichnet. Das Strömungsprofil beschreibt die Art und Weise, wie das Wärmeträgeröl durch das Präzisionsglasrohr hinter dem Fenster strömt. Hieraus berechnen die Forschenden dann die Durchflussrate des Fluids.

Wirklich genau

Die Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV) ist ein berührungsloses, optisches Messverfahren zur punktuellen Bestimmung von Geschwindigkeitsvektoren in Fluidströmungen (Flüssigkeiten oder Gasen). Es ist derzeit das genaueste, nichtinvasive Verfahren zur Bestimmung von Fluid-Geschwindigkeiten. Dabei wird ein Laserstrahl mithilfe eines Strahlteilers in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Am Messpunkt kreuzen sich diese Strahlen wieder und es entsteht im Kreuzungsbereich ein Interferenzstreifenmuster. Wenn Partikel, die sich zusammen mit dem Fluid bewegen, das Streifenmuster passieren, wird ihr gestreutes Licht moduliert. Die Frequenz dieser Modulation ist proportional der Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Interferenzstreifen und kann mithilfe eines Photodetektors gemessen werden.

Installation des LDV-Systems am MOPUW
Das LDV-Messsystem der Arbeitsgruppe 7.52 der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt wurde an den Standort Köln-Porz verbracht und am MOPUW installiert.

Validierungen auch für Sensorhersteller

Für die Validierung unterschiedlicher Hochtemperatur-Durchflussmessmethoden, zum Beispiel für den Einsatz in Solarkraftwerken und Industrieanlagen, erschließt der erfolgreiche Versuch bei 300 Grad Celsius zukünftig Dienstleistungen für die hochgenaue Validierung von kommerziellen Durchflusssensoren. Zu dem Zweck können zukünftige Durchflusssensoren zusammen mit der LDV-Fensterkammer in die Anlage integriert werden. Mit der erfolgreichen Testmessung hat sich gezeigt, dass auch noch höhere Betriebstemperaturen - beispielsweise bei 400 Grad Celsius - technisch machbar sein dürften. Unter Umständen müsste eine verbesserte Fensterkammer genutzt werden und die aus der Prüfanlage stammenden Verunreinigungen in der ansonsten transparenten Wärmeträgerflüssigkeit noch effektiver herausgefiltert werden.

Kontakt

Dr. rer. nat. Christian Jung

Abteilungsleiter
Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR)
Institut für Future Fuels
Chemische und physikalische Grundlagen
Linder Höhe, 51147 Köln-Porz

Christian Siegel

Referent Institutskommunikation
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.V.
Institut für Future Fuels
Schneiderstraße 2, 52428 Jülich
Tel: +49 (0) 2461 93730-328