Model-based Analysis of Diffusion Experiments in Binary Gas Mixtures in a Loschmidt Cell
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projekts wurde ein konsistentes Verfahren zur Bestimmung konzentrationsabhängiger binärer Diffusionskoeffizienten von Gasen aus einem einzelnen Experiment entwickelt. Der experimentelle Aufbau besteht aus einer Loschmidt-Zelle, die mit Interferometern kombiniert ist. Durch das Befüllen der beiden Halbzellen der Loschmidt-Zelle mit Reingasen kann im Verlauf eines Diffusionsexperiments der gesamte Konzentrationsbereich beobachtet werden. Dadurch kann aus einem einzelnen Experiment die Konzentrationsabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten bestimmt werden. In der Vergangenheit wurden nach der Auswertung von Diffusionsmessungen, die mit der Loschmidt-Zelle durchgeführt wurden, inkonsistente Verläufe der Konzentrationsabhängigkeit und Widersprüche zu anderen Literaturdaten festgestellt. Ziel dieses Projektes war die Überwindung der Schwierigkeiten der bisherigen Auswertemethodik. Dazu wurde ein detailliertes, konsistentes Diffusionsmodell entwickelt, das die gesuchten Konzentrationsabhängigkeiten und nicht-ideale Wechselwirkungseffekte des Gasgemischs berücksichtigt. Durch eine systematische Analyse der Residuen der Parameterschätzung konnten Verbesserungsbedarfe in Modell und Experiment identifiziert werden. Insbesondere ist die Berücksichtigung von Unsicherheiten in den Anfangsbedingungen des Diffusionsprozesses, in der thermischen Stabilität der Interferometer und in der Kamerakalibration von entscheidender Bedeutung. Durch Experimente mit dem Stoffsystem Helium-Krypton, bei denen vor Beginn der Messung Gasmischungen in die Halbzellen der Loschmidt-Zelle gefüllt wurden, konnte der verbesserte experimentelle Aufbau und die neue Auswertemethodik validiert werden. Aus Experimenten, bei denen vor Beginn der Messung reines Krypton bzw. reines Helium in die Halbzellen der Loschmidt-Zelle gefüllt wurden, konnte der Diffusionskoeffizient und dessen Konzentrationsabhängigkeit aus einem einzelnen Experiment bestimmt werden.
Publications
- (2018) Concentration-Dependent Diffusion Coefficients of Binary Gas Mixtures Using a Loschmidt Cell with Holographic Interferometry. Int J Thermophys (International Journal of Thermophysics) 39 (12)
Wolff, Ludger; Zangi, Pouria; Brands, Thorsten; Rausch, Michael Heinrich; Koß, Hans-Jürgen; Fröba, Andreas Paul; Bardow, André
(See online at https://doi.org/10.1007/s10765-018-2450-8) - Modellgestützte Auswertung von Diffusionsexperimenten an binären Gasgemischen in einer Loschmidt-Zelle, Thermodynamik-Kolloquium 2017, Dresden (2017)
L. Wolff, P. Zangi, T. Brands, M. H. Rausch, H.-J. Koß, A. P. Fröba und A. Bardow
- (2018): Concentration-Dependent Diffusion Coefficients of Binary Gas Mixtures Using a Loschmidt Cell with Holographic Interferometry. In: Int J Thermophys 39 (12)
L. Wolff, P. Zangi, T. Brands, M. H. Rausch, H.-J. Koß, A. P. Fröba und A. Bardow
(See online at https://doi.org/10.1007/s10765-018-2450-8) - Gaseous binary diffusion coefficients for mixtures of propane with methane and carbon dioxide by using a Loschmidt cell combined with holographic interferometry, 20th Symposium on Thermophysical Properties, CO, USA (2018)
L. Wolff, P. Zangi, T. Brands, M. H. Rausch, H.-J. Koß, A., A. Bardow und P. Fröba
