Entwicklung der Schattenfotographie-Methode zur genauen Bestimmung von Diffusivitäten von Fluidgemischen bei hohem Druck und hoher Temperatur

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379151958

In der beantragten zweiten Förderperiode soll die auch als „Shadowgraph-Methode“ bekannte zeitaufgelöste Schattenfotographie hinsichtlich der genauen und simultanen Bestimmung des Fickschen Diffusionskoeffizienten D11 und der Temperaturleitfähigkeit a für binäre Gemische untersucht werden. Dabei sollen sowohl eine Optimierung der Thermodiffusionsmesszelle als auch die Entwicklung von Versuchsstrategien erfolgen, um die bisherigen Limitierungen hinsichtlich der Anwendbarkeit auf Gemische mit speziellen Eigenschaften weitestgehend zu überwinden. Die geplanten Forschungsaktivitäten bauen auf den Ergebnissen der ersten Förderperiode auf, in welcher zunächst eine für hohe Temperaturen und Drücke geeignete Thermodiffusionsmesszelle konzipiert und aufgebaut wurde, die die Einstellung sehr stabiler Temperaturgradienten und aus dem Soret-Effekt resultierenden Konzentrationsgradienten erlaubt. Mithilfe eines ebenfalls neu entwickelten optischen Aufbaus ist es möglich, die Schattenabbildungen von Nichtgleichgewichtsfluktuationen hoch aufgelöst zu analysieren, die durch Erhaltungsgleichungen beschreibbar und folglich mit entsprechenden Transporteigenschaften verknüpft sind. Es konnte erstmals demonstriert werden, dass mit Hilfe der Shadowgraph-Methode die gleichzeitige Bestimmung von D11, a, der kinematischen Viskosität "nü" und des Soret-Koeffizienten ST möglich ist, jedoch mit Einschränkungen auf spezielle Stoffsysteme und thermodynamische Zustände. Für Systeme mit negativem ST kommt es innerhalb der für die Bestimmung von "nü" und ST bislang groß gehaltenen Fluidschichtdicke zu Advektion, welche nur bei geringfügiger Ausprägung noch Zugang zu den Stoffeigenschaften zulässt. Der Advektion soll in der zweiten Förderperiode durch eine Minimierung der Fluidschichtdicke sowie durch optionale Umkehr des Temperaturgradienten begegnet werden, so dass die Shadowgraph-Methode nach zusätzlicher Weiterentwicklung der Datenauswertung für nahezu willkürliche Gemische anwendbar wird. Der resultierende Verzicht auf Zugänglichkeit von "nü" und ST für ST < 0 ist dabei aufgrund deren ohnehin großen Messunsicherheiten gerechtfertigt, um die Einsetzbarkeit der Methode für die mit sehr viel geringeren Unsicherheiten behafteten Größen D11 und a entscheidend zu verbessern. Anhand von ausgewählten Gemischen soll dabei zunächst untersucht werden, wie die für die Signalstatistik ungünstige Reduzierung der Fluidschichtdicke durch Erhöhung des Temperaturgradienten bei gleichzeitiger Unterdrückung von Advektion derart kompensiert werden kann, dass auch für Gemische mit für die Signalintensität nachteiligen geringen Beträgen von ST und der Brechungsindexdifferenz der Reinstoffe verlässliche Daten zugänglich werden. Abschließende Untersuchungen für systematisch ausgewählte binäre Kohlenwasserstoffgemische sollen die Weiterentwicklungen validieren und zudem zu einem verbesserten Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Bezug auf molekulare Diffusion beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Michael Heinrich Rausch
• Kooperationspartner: Dr. Cédric Giraudet