Bronkhorst

Das Unsichtbare sichtbar machen

13. Juli, 2021 Stefan Kuhlich & Manuel Schütte

Mit Massendurchfluss auf den Spuren von Verbrennungsprozessen

Im Streben nach Einklang zwischen Mobilität, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit erleben wir momentan eine spannende Zeit. Gerade im Sektor der Mobilität auf Rädern oder in der Luft, konkurrieren verschiedene Antriebstechnologien miteinander, von denen jede bei differenzierter Betrachtung ihre Berechtigung hat. Ob Elektromotor, Brennstoffzelle oder Verbrennung von regenerativen Brennstoffen, sie haben alle ein Ziel: Bestmögliche Wirkungsgrade - höchste Effizienz im Sinne von Ressourcenschonung.

Der erste – und jeder weitere Schritt zu mehr Effizienz ist jedoch die Analyse des Ist-Zustandes, um faktisch Schwachstellen bzw. Potentiale sichtbar zu machen.

Gemischbildung im Brennraum eines Erdgasmotors
Gemischbildung im Brennraum eines Erdgasmotors

Manuel Schütte ist Produktmanager bei LaVision in Göttingen. LaVision entwickelt und produziert modular aufgebaute Laser Imaging Systeme für die quantitative Visualisierung von reaktiven und nicht-reaktiven Strömungsprozessen, wobei mehrere Prozessparameter gleichzeitig erfasst werden können. Im Falle dieses Beitrags geht es um das „Temperature Imaging“ in Gasen durch temperaturabhängige Fluoreszenz. Mit diesem Verfahren lassen sich Strömungs- und Temperaturprofile z.B. in Wärmetauschern und bei der Gemischbildung für umweltschonende Gasmotoren mit Hilfe einer zugefügten Tracer-Substanz (Anisol, Methylphenyl-Ether) sichtbar machen. Die genaue Kenntnis dieser 2D-erfassten Verteilungen hilft dabei, Wärmeübertragung und nachgeschaltete Verbrennungsprozesse zu optimieren.
 
Heute zeigen wir den Aufbau einer 2-Farb Anisol-LIF Thermometrie und berichten, auf welche Weise Bronkhorst zu den positiven Ergebnissen dieses Entwicklungsprojektes beitragen konnte. Hierzu hat Stefan Kuhlich (Technical Project Manager, Bronkhorst) ein Interview mit Herrn Schütte durchgeführt.

Schema Anisol Seeding Generator

Welche Bedeutung hat die Durchflussregelung für Ihre optische Messtechnik?

Als Hersteller unserer hochauflösenden Laser und Kamera-Systeme wissen wir, dass die Qualität einer Temperatur-Analyse nicht allein von der Güte des - am Prozessende befindlichen - optischen Verfahrens abhängt, sondern vom exakten Zusammenspiel mit den vorgelagerten Komponenten und Teilprozessen.

Bei der 2-Farb Anisol-LIF Thermometrie wird ein Gas-Dampf-Gemisch aus Stickstoff als Trägergas und Anisoldampf als sogenannter Tracer erzeugt und in den Messbereich eingedüst. Voraussetzung für eine repräsentative Darstellung des 2-dimensionalen Temperaturfeldes ist eine zeitlich konstante und homogene Verteilung des Tracers im Bildbereich der Kamera. Die große Herausforderung besteht also darin, eine sehr geringe Menge des flüssigen Tracers (bis zu 25 g/h Anisol) absolut gleichmäßig zu dosieren und zu verdampfen, und das unter dynamisch veränderlicher Gesamtflussrate.

Für die technische Umsetzung haben wir daher die Unterstützung von Bronkhorst gesucht, deren Massendurchflussmesser wir bereits seit langer Zeit erfolgreich verwenden.
 

Schema Anisol Seeding Generator
Schema Anisol Seeding Generator

Wie wurden Ihre Erwartungen an die Durchflussregelung realisiert?

Bronkhorst hat unsere Anforderung mit einer Kombination aus einem Verdampfermodul (VDM) und einem vorgelagerten Liquid-Feed-Modul umgesetzt. Das VDM regelt hierbei einen flexibel einstellbaren Anisol-Massenstrom, der in einem speziellen Bronkhorst-Mischventil mit dem Trägergas Stickstoff vernebelt und anschließend verdampft wird. Vorteil des VDM Systems liegt in der genauen (und dynamischen) Regelbarkeit der Fluidströme und Heiztemperaturen. Somit kann bei dynamischer Führung des Anisol- und Trägergas-Stromes eine gleichbleibende Konzentration geregelt werden. Die Einstellung der Heiztemperatur erlaubt es, Kondensation durch Unterschreitung des Taupunkts sicher zu vermeiden.

Für unsere Hi-Tech-Anwendung ist die höchsterreichbare dynamische Genauigkeit der Anisol-Massenstrom ausschlaggebend. Daher hat Bronkhorst ein sogenanntes Liquid-Feed-Modul entwickelt, welches einen konstanten elektronisch geregelten Druck am Eingang des VDM gewährleistet. Das Modul beinhaltet einen Vorratsbehälter, eine Flüssigkeitspumpe mit Rückführung in den Behälter und einen elektronischen Druck-Regler des Feeds. Das Modul als Teilsystem ist CE-zertifiziert.

 

Bronkhorst Setup bei LaVision
Prototyp Bronkhorst Skid bei LaVision

Um das System aus Liquid-Feed-Modul und das VDM auf unsere Prozesse genau abzustimmen, können die relevanten PID-Parameter der beteiligten Regler über eine digitale Schnittstelle (RS232 oder Bus) angepasst werden. Für die Inbetriebnahme des Gesamtsystems mit unserem Kunden hat Bronkhorst uns vor Ort unterstützt.

 

Druck- und Durchflussregelung ermöglichen die hochgenaue Dosierung des Tracers

Bronkhorst Massendurchflussregler, Pumpenmodule, Verdampfer (VDM) und Druckregler sind in dem oben genannten Anisol-Seeder integriert worden. Die entscheidenden Gründe hierfür sind:

  • Hohe Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit (EL-PRESS, mini-CORI FLOW, EL-FLOW Select)
  • Kompaktheit und Reaktivität des Verdampfers (VDM)
  • Kompatibilität/Abstimmung der unterschiedlichen Komponenten und Regelungen aus einer Hand
  • Ergonomie: Bevorratung und sicheres Handling des Anisols (Methylphenyl-Ether)
  • Kommunikation beider Teilsysteme über RS232 oder Bus mit BHT-Standardsoftware 
Das erfolgreich getestete Set-Up wird aufgrund seiner Genauigkeit, Flexibilität und Ergonomie für weitere Testserien eingesetzt werden. Visualisiert und dokumentiert werden die Ergebnisse auf unseren PCs über die Bronkhorst Software FlowPlot und Flow Suite
 


Bronkhorst und LaVision Partner

Mehr Informationen zu den Autoren:

Stefan Kuhlich (links) ist Technical Project Manager bei Bronkhorst Deutschland Nord GmbH. Manuel Schütte (rechts) ist Product Manager bei LaVision GmbH.


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