Kalibrierzellen

An der Professur für Energiewandlung existieren mehrere Kalibrierzellen, die am Institut entwickelt und gefertigt werden für die Weiterentwicklung von Lasermessverfahren wie beispielsweise die laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) und Phosphoreszenz (LIP) oder die Absorptionsspektroskopie. Mit diesen Messtechniken ist eine Bestimmung von Temperatur und Konzentrationen in Gasgemischen möglich unter Randbedingungen, die für Fluggasturbinen, Raketen, Motoren und chemischen Reaktoren relevant sind. Die größte Gas-Kalibrierzelle ist kontinuierlich durchströmt und kann bei bis zu 1000 K und 3,0 MPa betrieben werden mit variabler Gaszusammensetzung. Durch vier Fenster ist eine sehr gute optische Zugänglichkeit gewährleistet. Das Gasgemisch kann durch mehrere Massenstromregler flexibel eingestellt werden und wird durch Heizpatronen erhitzt. Zusätzlich können durch ein gesteuertes Verdampfungs- und Mischsystem zusätzlich Dämpfe (wie Wasserdampf oder Kraftstoffdampf, aber auch „Spurstoffe“ bzw. „Fluoreszenztracer“ wie beispielsweise Aceton oder 1-Methylnaphthalin) zugegeben werden. Nach der Heizstrecke werden der Brennstoff bzw. der Tracer-Dampf und der Gasstrom in einer Mischstrecke zusammengeführt, bevor sie in die Zelle gelangen. Diese Anordnung garantiert ein homogenes Gemisch in der Zelle und reduziert eine mögliche thermische Zersetzung und Oxidation des Tracers durch die Heizelemente. Außerdem wird die Reaktion des Tracers durch eine relativ kurze Verweildauer in der Zelle von unter 1 s reduziert.

Weitere Details sind zu finden unter:

Retzer, U., Ulrich, H., Will, S., Zigan, L.: Burst-mode 1-methylnaphthalene laser-induced fluorescence: extended calibration and measurement of temperature and fuel partial density in a rapid compression machine. Applied Physics B: Lasers and Optics 128(8), 144, 2022

https://doi.org/10.1007/s00340-022-07861-4

Durch den Einsatz von zusätzlichen Küvetten in der Strömungszelle können auch Verdampfungsprozesse und Flashboiling von Flüssigkeiten, aber auch transkritische Vorgänge untersucht werden. Hier findet der Übergang von bzw. zu überkritischen Zuständen statt, was eine hohe Relevanz in vielfältigen energie- und verfahrenstechnischen Systemen sowie bei pharmazeutischen Anwendungen hat.

Durchströmte Kalibrierzelle mit vier optischen Zugängen. Die Heizstrecke und Gasdosierung befindet sich oberhalb der Messzelle

Auch zur Kalibrierung von optischen Messtechniken zur Untersuchung der Flüssigphase existieren Messzellen für einen weiten Druck- und Temperaturbereich. Diese Mikro-Zellen zeichnen sich durch ein kompaktes Design aus, um eine homogene Temperaturverteilung in den untersuchten Flüssigkeitsgemischen zu erreichen. Es können hohe Flüssigkeitsdrücke bis über 20 MPa realisiert werden. Die Außenabmessungen der Zelle betragen 50 mm x 50 mm x 40 mm, das Innenvolumen beträgt 6,6 cm³. Vier Fenster (Saphir) ermöglichen den optischen Zugang. Ein externer Thermostat heizt die Wände auf bis zu 140 °C auf. Ein Magnetrührer ist zur Homogenisierung der Temperatur in der Flüssigkeit installiert. Von dieser Bauform existieren auch „Cryo-Zellen“, die für tiefkalte Bedingungen geeignet sind, siehe die nachfolgende Abbildung, welche für die Nachbildung von Einspritzbedingungen von Fluggasturbinen, Raketen und Motoren relevant sind.

Cryo-Kalibrierzelle (hier ohne thermische Isolation dargestellt) für die spektroskopische Untersuchung von Flüssigkeiten

Weitere Details sind zu finden unter:

Koegl, M.; Vogler, J.; Zigan, L.: Spectral Investigations of Fluorescence Tracers in Automotive and Aviation Fuels under Cryogenic Conditions. Sensors, 24(3), 724, 2024

https://doi.org/10.3390/s24030724

Darüber hinaus ist es möglich, mit LIF die Schichtdicke von Flüssigkeitsfilmen zu bestimmen, was beispielsweise für Kühlmittel- oder Kraftstofffilme auf Wandoberflächen relevant sein kann. Um die Schichtdickenabhängigkeit der Signale zu bestimmen und Einflüsse der Wandrauigkeiten oder Wandmaterialien auch bei variablen Temperaturen zu untersuchen, kommen spezielle durchströmte Kalibriereinrichtungen zum Einsatz, wie es in der nachfolgenden Abbildung gezeigt ist.

Kalibriereinrichtung zur Einstellung der Schichtdicke von Flüssigkeitsfilmen sowie Temperatur und der Wandbeschaffenheit

Weitere Details hierzu sind der nachfolgenden Referenz zu entnehmen:

Koegl, M.; Breitenbach, L.: Material and surface texture-dependent fluorescence behavior of liquid coolant wall films. Experiments in Fluids 66 (53), 2025

https://link.springer.com/article/10.1007/s00348-025-03990-6