Experimenteller Aufbau

Fließbild und Photo der gesamten Versuchsanlage sind in Abbildung 4.2 dargestellt.

Der eigentliche Versuchsaufbau setzt sich zusammen aus dem Drallerzeuger, der un-tersuchten Messstrecke sowie der nachgeschalteten Beruhigungskammer zur Entkopp-lung der Messstrecke von der restlichen Anlage. Diese besteht aus der nachgeschalte-ten Abreinigung sowie der Steuerung f¨ur Luft- und Partikelstr¨ome. Das Gebl¨ase zur Erzeugung des Hauptstromes befindet sich stromabw¨arts der Abreinigung. Damit

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Abbildung 4.1.: Bewegung der Partikelstr¨ahnen in der Brennergeometrie kurz hinter der Rohrerweiterung. Zu erkennen ist die sich im System bildende Staubstr¨ahne zu verschiedenen Zeitpunkten.

beitet die gesamte Anlage im Saugbetrieb und ein unbeabsichtigtes Entkommen von Partikelmaterial in die Umgebung ist nicht m¨oglich. Zur Verringerung der Betriebs-kosten wird das verwendete Partikelmaterial in einem Zyklon abgeschieden und im Kreis gefahren.

Medien

Das verwendete Tr¨agermedium ist Luft. Der Hauptstrom wird mit Hilfe eines am En-de En-des Anlagenstranges liegenEn-den Radialgebl¨ases (siehe Abbildung 4.2 (a), 8) durch die Versuchsanlage gezogen. Eine ¨uber den Rohrquerschnitt integrierende Differenz-drucksonde (7) misst dabei den momentanen Volumenstrom im Hauptrohr. Auf Basis dieser Messungen wird das dahinter liegende Gebl¨ase mittels eines Frequenzumrich-ters eingestellt. Der Volumenstrom im Zentralrohr wird je nach ben¨otigter Luftmenge entweder ¨uber einen gedrosselten Druckluftanschluss mit Volumenstrommessung (9) oder ¨uber ein frequenzmoduliertes Roots-Gebl¨ase (10) gesteuert. Der Strom im Ko-axialrohr ergibt sich in der Folge als Differenz der Str¨ome im Haupt- und Zentralrohr.

Die dabei getroffene Annahme einer druckverlustfreien Str¨omung kann aufgrund der f¨ur Haupt- und Zentralrohr verwendeten großen Querschnitte als erf¨ullt angesehen werden. Da die Grenzen der aufzustellenden Volumenbilanz einerseits am Ort der Volumenstrommessungen, andererseits in der Einm¨undung des Koaxialrohrs liegen, f¨allt der Drallerzeuger (1), f¨ur den die Annahme einer druckverlustfreien Str¨omung nicht gilt, aus der Bilanz heraus.

Als disperse Phase wurden Glaskugeln vom Typ Spheriglass 2350 mit einer Dichte von ρ_P = 2540_m^kg3, einem volumenbasierten mittleren Partikeldurchmesser von d_P =

(a)

(b)

Abbildung 4.2.: Anlagenschema (a) und Foto (b) der Versuchsanlage: 1: Drallerzeu-ger, 2: Messstrecke, 3: Absetzkammer, 4: Zyklon, 5: Partikeldosierer, 6: Filter, 7: Steuerung der Luftstromes, 8: Gebl¨ase, 9/10: Feed f¨ur Zentralstrom (Druckluft mit Drosselventil und Volumenstrommesser oder gesteuertes Roots-Gebl¨ase).

Abbildung 4.3.: Partikelgr¨oßenverteilung der untersuchten dispersen Phase. Die im urspr¨unglichen Partikelkollektiv (rot) vorhandenen Partikel mit ei-nem Durchmesser d_P < 10µm k¨onnen im Zyklon (siehe Abbil-dung 4.2) nicht abgeschieden und daher nicht wiederverwendet wer-den. In der Anlage stellt sich nach einigen Uml¨aufen die in blau dargestellte Partikelgr¨oßenverteilung ein.

50µm und einer Partikelgr¨oßenverteilung zwischen d_P,min = 2,8µm und d_p,max = 150µm verwendet (siehe Abbildung 4.3). Dieses Material hat eine gut bekannte Gr¨oßenverteilung, ist mechanisch stabil und l¨asst sich aufgrund seiner optischen Ei-genschaften sowohl f¨ur PDA- als auch f¨ur PIV-Messungen (siehe Abschnitt 2.3.1 bzw. Abschnitt 2.3.2) verwenden. Des Weiteren ist das Material in der Handhabe unkritisch. Die Partikel werden durch einen Doppelschneckenextruder (siehe Abbil-dung 4.2 (a), 5) dosiert und dem Zentralstrom beigemischt. Nach Durchlaufen der Messstrecke (2) und der dahinter liegenden Beruhigungskammer (3) werden die Par-tikel in einer zweistufigen Abreinigung wieder aus dem Luftstrom entfernt. Die er-ste Stufe der Abreinigung bildet ein Zyklon mit einem Trennkorndurchmesser von dT ≈ 16µm. Damit ist es m¨oglich, einen Teil der Partikel wiederzuverwenden und damit die Betriebskosten der Anlage zu senken. Als zweite Abreinigungsstufe wird ein einfacher Schlauchfilter verwendet, der als Kuchenfilter ein Entkommen der Par-tikel in die Umgebung verhindert. Baut sich im Filter aufgrund der Kuchenbildung ein zu großer Druckverlust auf, so erfolgt eine Abreinigung mittels Druckstoß.

Der verwendete Zyklon kann aufgrund der gefahrenen Betriebsbedingungen nicht die gesamte Partikelfraktion abscheiden. Damit kann entstehender Partikelbruch aus dem System ausgeschleust werden. Es ergibt sich jedoch auch eine Verschiebung der Partikelgr¨oßenverteilung in Richtung gr¨oßerer Durchmesser (siehe Abbildung 4.3).

Die Bef¨urchtung, dass die in der Folge fehlenden Tracer zu ungenauen Messungen der kontinuierlichen Phase f¨uhren k¨onnten, erwiesen sich als unbegr¨undet: bei der Messung der kontinuierlichen Phase wurden konstante Datenraten erreicht.

(a) (b)

Abbildung 4.4.: (a) Horizontaler Schnitt durch das Plenum des variablen Drall-erzeugers. Je nach relativer Stellung der Blocks¨atze werden ent-weder radiale (obere H¨alfte) bzw. tangentiale (untere H¨alfte) Str¨omungskan¨ale ge¨offnet. Es ergeben sich f¨ur die theoretischen DrallzahlenS_th die in (b) dargestellten Verl¨aufe.

Drallerzeuger

Da insbesondere der Einfluss der DrallzahlS auf das Verhalten der Partikel im Inne-ren der Str¨omung untersucht werden sollte, wurde ein variabler Drallerzeuger nach Fricker und Leuckel (1976) verwendet. Die Grundidee eines solchen Drallerzeugers be-steht in der Kombination zweier mit ann¨ahernd dreieckigen Bl¨ocken best¨uckter Ringe (siehe Abbildung 4.4 (a)). Werden diese Ringe gegeneinander verdreht, ¨offnen bzw.

schließen sich radial bzw. tangential angeordnete Str¨omungskan¨ale in ein zentrales Plenum. Diese Bauweise erlaubt eine stufenlose und relativ einfache Einstellung der sich ergebenden theoretischen DrallzahlS. Der realisierte Drallerzeuger besitztn= 8 Blockpaare mit einer H¨ohe vonh= 30 mm auf einem Ring zwischend_i = 170 mm und d_a = 210 mm. Es entstehen damit entweder acht radiale Kan¨ale mit einer maximale Breite vonb_rad ≈29,5 mm oder acht tangentiale Kan¨ale mit einer maximalen Breite von b_tan ≈19 mm und einem Anstellwinkel vonΛ = 60^◦ (siehe Abbildung 4.4 (a)).

In Abh¨angigkeit des jeweils verwendeten Zentralrohres ergeben sich die in Abbil-dung 4.4 (b) dargestellten Verl¨aufe f¨ur die theoretisch zu erreichende Drallzahl S_th. Diese wurden nach Be´er und Chigier (1972) berechnet als

S_th =σr_ki

h 1−β_r²

. (4.1)

Abbildung 4.5.: Geometrie der Messstrecke D2/D3 (Abmaßen siehe Tabelle 4.1);

blau: str¨omungslinien; rot: Lage der PIV-Messbereiche.

Dabei istr_ki der Innenradius undβ_r = ^r_r^za

ki das Nabenverh¨altnis des Koaxialrohrs. Die dimensionslose Kennzahl σ bildet eine Absch¨atzung f¨ur das Verh¨altnis von mittlerer Axial- zu mittlerer Radialgeschwindigkeit in Abh¨angigkeit des ¨Offnungswinkels ξ:

σ = π nξmax

sinΛcosΛ(ξ/ξ_max)

(1−(1−cosΛ) (ξ/ξ_max))². (4.2) Damit waren mit diesem Drallerzeuger je nach Konfiguration theoretische Drallzahlen zwischen S_th= 1,25 undS_th = 2,0 erreichbar.

Messstrecken

Das den Drallerzeuger verlassende Koaxialrohr sowie das die Nabe des Koaxialrohrs bildende Zentralrohr m¨unden gemeinsam in ein Hauptrohr, in dem die eigentliche Messung stattfindet (siehe Abbildung 4.5). In diesem Hauptrohr ergibt sich damit das in Abbildung 2.2 dargestellte komplexe Str¨omungsfeld mit zwei Rezirkulationszonen sowie zwei freien Staupunkten auf der Mittelachse.

Insgesamt wurde das Verhalten der Drallstr¨omung in drei verschiedenen Konfigura-tionen mit unterschiedlichen Durchmessern von Haupt- und Zentralrohr untersucht.

Die einzelnen Konfigurationen sind in Tabelle 4.1 dargestellt. In allen Konfiguratio-nen wird die Partikelfraktion im Zentralrohr zugegeben und die Bildung von Parti-kelstr¨ahnen im Bereich unterhalb der Rezirkulationszone untersucht. Die Messungen in den Konfigurationen D1 und D2 wurden mit Hilfe eines PDA-Systems durch-gef¨uhrt (siehe Abschnitt 2.3.1), f¨ur die Messungen in Konfiguration D3 wurde ein PIV-System verwendet (siehe Abschnitt 2.3.2).

Tabelle 4.1.: Konfigurationen der Messung der Drallstr¨omung.

Konfiguration Zentralrohr Koaxialrohr Hauptrohr Mess-d_zi [mm] d_za [mm] d_ki [mm] d_hi [mm] system

D1 8 12 64 200 PDA

D2 36 40 64 200 PDA

D3 36 40 64 200 PIV

Aufgrund der Gr¨oße der untersuchten Partikel¹ und der Wellenl¨ange der verwende-ten Laser² gehorchen die bei der PDA-Messung auftretenden Streulichtintensit¨aten zum großen Teil der Mie-Theorie (Mie, 1908). Zum Teil fallen sie jedoch schon in den Bereich der klassischen Optik (siehe Abschnitt 2.3.1). Daher wurde der f¨ur die PDA-Messungen verwendete Detektor in einem Streulichtwinkel von 66^◦positioniert.

In diesem Winkel stimmen die Intensit¨aten von Mie-Streuung und geometrischer Streuung erster Ordnung³ weitgehend ¨uberein. Gleichzeitig erreichen die geometri-sche Streuung nullter⁴ und zweiter⁵ Ordnung hier ein Minimum.

Bei den PDA-Messungen wurde eine Phasendiskriminierung auf Basis des Partikel-durchmessers vorgenommen. W¨ahrend kleine Partikel mit Durchmessern d_P <7µm als Tracer f¨ur die Fluidphase angesehen wurden, wurden gr¨oßere Partikel der disper-sen Phase zugerechnet (siehe Abschnitt 2.3.1). In den PIV-Messungen (Konfiguration D3) gelang die Phasentrennung nicht.

Messreihen

Im Rahmen der Experimente in den oben beschriebenen Konfigurationen wurden neben den EinlassgeschwindigkeitenU_z und U_k auch die Drallzahl S im Koaxialrohr (siehe Gleichung (2.8)) sowie die Massenbeladung η_P im Zentralrohr variiert. Einen genauen ¨Uberblick ¨uber die realisierten Parametervariationen gibt Tabelle 4.2.