5. Messungen und Ergebnisse
5.1. Versuchsbedingungen
Jeder Betriebszustand des HIPARC ist durch mehrere Parameter festgelegt, wie z.B.
Massenstrom, Tankdruck, elektrische Leistung und Strömstarke.
Alle Versuche wurden unter den folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt:
s mg m H 200 /
2
=
mbar .
p
kW P
A I
Tank el
3 0 20 160
=
=
=
5.2. Pitotdruckmessungen
Um die Druckverteilung zu erhalten, wurde die in Kapitel 3.4 beschriebene Pitotdruck-Sonde, an eine bestimmte X-Position gefahren und dann in Y-Richtung, also radial, hin und zurück durch den Plasmastrahl bewegt.
Dies wurde an sechs verschiedenen X-Positionen gemacht.
Wegen der Bewegungsgrenzen des Koordinatentisches war es aber nicht möglich, die Sonde durch den ganzen Freistrahl zu bewegen.
Die erhaltenen Druckverteilungen wurden deshalb in der Mitte abgeschnitten und dann
gespiegelt, um eine vollständige Verteilung zu erhalten. Die Annahme einer
Rotationssymmetrie des Plasmastrahls ist dabei, wie von vielen anderen Versuchen belegt,
gerechtfertigt.
Bild 5.1. Pitotdruckverteilung für verschiedene X-Positionen
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Abstand zwischen Sondenfrontfläche und Plasmaquelle, mm
P
tot, m b ar
massenstrom = 200 mg/sec [H2]
Pel = 20 kW I = 160 A 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Y-Position, mm P
tot, m b ar
390 mm 350 mm 300 mm 250 mm 200 mm 150 mm massenstrom = 200 mg/sec [H
2]
P
el= 20 kW I = 160 A
Abstand zwischen der Sondenfrontfläche und
der Plasmaquelle
5.3. Wärmeflussdichtemessungen
Ein Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der lokalen spezifischen Enthalpie im Plasmastrahl. Jedoch existiert derzeit keine Sonde, die bei geringen Drücken die Enthalpie direkt messen kann. Mit Hilfe des Pitotdrucks und der Wärmeflussdichte gibt es theoretisch aber eine alternative Methode um diesen Parameter zu ermitteln. Im Rahmen dieser Arbeit sollte dieser Versuch unternommen werden. Eine Beschreibung der verwendeten Methode folgt in Kapitel 6.3, zunächst werden die dazu notwendigen Wärmeflussmessungen dargestellt.
5.3.1. Messungen mit unbeschichteter-Sonde
Es wurde die in Kapitel 3.6 beschriebene Sonde benutzt. Die Betriebsbedingungen waren dieselben wie bei den Pitotdruckmessungen.
Bild 5.3. Wärmeflussverteilung für verschiedene X-Positionen mit kommerziellem Gardon Gage im Staupunkt
Die Bilder 5.3 und 5.4 zeigen die Radialprofile an verschiedenen axialen Positionen für den Staupunktssensor und einen Sensor, der um 10 mm vom Staupunkt versetzt angeordnet war.
Aus Bild 5.5 ergibt sich, dass der Wärmefluss für den 10 mm Offset-Sensor immer um ca.10% höher ist. Eine Erklärung dafür ist möglicherweise der am Sondenrand zunehmende Temperaturgradient. Ähnliches wurde auch bereits in numerischen Simulationen, die von Fasoulas durchgeführt wurden, beobachtet [9].
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00
Y-Position, mm
Wärmefluss, kW/m²
150 mm 150 mm 200 mm 200 mm 250 mm 250 mm 300 mm 300 mm 350 mm 350 mm 390 mm 390 mm Abstand von der Plasmaquelle massenstrom = 200 mg/sec [H2]
Pel = 20 kW
I = 160 A
Bild 5.4. Radiale Wärmeflussverteilung für X = 0 mm mit Gardon Gage im Staupunkt (GG Zentrum) und mit 10 mm Offset vom Staupunkt (GG 10 mm Offset)
5.5. Wärmeflussverteilung in Strahlmitte für verschiedene X-Positionen mit Gardon Gage im Staupunkt (GG Zentrum) und mit 10 mm Offset vom Staupunkt (GG 10 mm Offset)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0 50 100 150 200 250 300
X-Position, mm
W ä rm efluss, kW /m ² G.G. Zentrum
G.G. 10 mm Offset
massenstrom = 200 mg/sec [H2]Pel = 20 kW I = 160 A
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0 50 100 150 200 250 300
y-Position, mm
Wärmefluß, kW/m²
Wärmefluß GG 10 mm Offset Wärmefluß GG Zentrum
massenstrom = 200 mg/ sec [H
2] Pel = 20 kW
I = 160 A
5.3.2. Messungen auf Aluminium und KCl
Neben den Wärmeflussmessungen auf Konstantan wurden auch zwei Messungen mit unterschiedlich katalytischen Materialen durchgeführt. Ziel dieser Untersuchung war es Informationen über den Dissoziationsgrad des Wasserstoffplasmas zu bekommen. Aus der Literatur geht hervor, dass Aluminium sehr katalytisch für die Rekombination von Wasserstoffatomen ist, während KCl einen sehr kleinen Rekombinationskoeffizienten hat [17,18]. Deshalb wurden diese Materialien ausgewählt. Da man die teuren kommerziellen Sensoren nicht beschichten wollte, wurde eine Sonde mit zwei am IRS selbst gebauten Gardon Gages benutzt. Vor den Versuchen mussten die Sensoren jedoch kalibriert werden.
Deshalb wurde ein Test mit unbeschichteten Sensoren durchgeführt, und die Sensorspannungen mit den zuvor gemessenen Wärmeflüssen verglichen. Die Bilder 5.6 und 5.7 zeigen die Kalibrierkurven der beiden Sensoren.
Bild 5.6. Kalibrierkurve für den Referenzsensor (linker Sensor)
Kalibrierkurve IRS-GG1 gegen GG No. 6080
Fitfunktion: y=5.987*Ln(x)+2.450*x^3-34.547*x^2+240.907*x+11.264
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 1 2 3 4 5 6 7
Spannung, mV
W ä rmefl u ß , kW /m ²
Bild 5.7. Kalibrierkurve für den beschichteten Sensor (rechter Sensor)
5.3.2.1. Der Bedampfungsprozess
Die Aluminium- bzw. KCl- Schichtung wurde mittels eines PVD- (Physical Vapor Deposition) Prozesses realisiert. Die Bilder 5.8 und 5.9 zeigen die benutzte Bedampfungsanlage. Sie besteht aus einem Glaszylinder von 50 cm Höhe mit einem Durchmesser von 24 cm, der auf einem Aluminiumboden steht und oben mit einem Aluminiumdeckel verschlossen wird. Der Deckel dient gleichzeitig als Befestigung für verschiedene Träger, an denen die zu bedampfenden Gegenstände fixiert werden. Auf dem Boden gibt es einen Vakuumanschluss mit dem der Zylinder über eine Pumpe auf ca. 10 -3 Pa evakuiert wird. Zwischen zwei Stromzuführungen werden über simple Klemmverbindungen ein kleines Wolframschiffchen, das das zu verdampfende Material aufnimmt montiert. Durch langsames Erhöhen des Stromes wird der Wolframträger zum Glühen gebracht und das Material geschmolzen. Mit Erreichen der Siedetemperatur verflüchtig es sich in kurzer Zeit und schlägt sich auf dem zu bedampfenden Objekt nieder. Die erreichbaren Schichtdicken liegen im µm-Bereich.
Kalibrierkurve IRS-GG2 gegen GG No. 6080
Fitfunktion: y=10.755*Ln(x)+4.409*x^3-51.473*x^2+310.462*x+25.800
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Spannung, mV
W ä rmefl u ß , kW /m ²
Bild 5.8. Die Bedampfungsanlage vor und während der Bedampfung
In Bild 5.9 ist der Kopf der Katalyzitätssonde dargestellt, die für die Untersuchungen benutzt wurde. Es wurden zwei Sensoren im gleichen Abstand vom Zentrum eingebaut, wovon einer unbeschichtet blieb, das heißt den Wärmefluss auf den Folienwerkstoff Konstantan registrierte. Der zweite Sensor wurde mit Al bzw. KCl beschichtet. Dann wurde der Wärmefluss darauf gemessen und anschließend mit dem Bezugswärmefluss verglichen.
5.3.2.2. Ergebnisse der Versuche mit beschichteter Sonde
Die Wärmeflussdichte, die mit der mit Aluminium beschichteten Sonde gemessen wurde, ist geringer im Vergleich zu der, die mit der unbeschichteten Sonde gemessen wurde. Da Aluminium ein Material ist, dass katalytischer als Kupfer bzw. Konsatntan ist[17], ist dies ein unerwartetes Ergebnis. Eine mögliche Erklärung ist, dass die Schicht auf dem Sondenkopf aus Aluminiumoxid und nicht aus Aluminium bestand. Das bedeutet, dass Aluminiumoxid eine geringere katalytische Aktivität besitzt.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 50 100 150 200 250 300
y-Position, mm
Wärmefluß, kW/m²
Wä rm efluß IRS-GG1 Cu/ Ni Wä rm efluß IRS-GG2 Al
ma ssenstrom = 200 mg / sec [H2]
Pel = 20 kW I = 160 A Abstand von der Plasmaquelle :
150 mm
Bild 5.10. Wärmeflussdichte auf die mit Aluminium beschichteten Sonde und der
Referenzsonde, x = 150 mm
0 100 200 300 400 500 600
0 50 100 150 200 250 300
y-Position, mm
Wärmefluß, kW/m²
Wä rmefluß IRS-GG1 Cu/ Ni Wä rmefluß IRS-GG2 Al
ma ssenstrom = 200 mg / sec [H2]
Pel = 20 kW I = 160 A Abstand von der Plasmaquelle :
250 mm
Bild 5.11. Wärmeflussdichte auf der mit Aluminium beschichteten Sonde und der Referenzsonde, x = 250 mm
0 100 200 300 400 500
0 50 100 150 200 250 300
y-Position, mm
Wärmefluß, kW/m²
Wä rm efluß IRS-GG1 Cu/ Ni Wä rm efluß IRS-GG2 Al
Abstand von der Plasmaquelle:
350 mm
ma ssenstrom = 200 mg / sec [H2]
Pel = 20 kW I = 160 A
