Unternehmen
IGTE Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung. IGTE forscht und lehrt für komfortable Lebens- und Arbeitsbedingungen in Gebäuden und Quartieren im Einklang mit Energieeffizienz, Nachhaltigkeit und Technik. Besondere Schwerpunkte sind die Energiespeicherung, die erneuerbaren Energien, Wasserstofftechnik und die Raumklimatechnik.
Aufgabe
Werden Dipolmoleküle, wie Wasser, durch ein inhomogenes elektrisches Feld geleitet, wirkt auf sie die ektrophoretische Kraft und bewirkt eine Bewegung in Richtung des Vektorgradienten der Feldstärke. Ein inhomogenes elektrisches Feld kann beispielsweise mit einem Zylinder- oder Kugelkondensator erzeugt werden. Im Forschungsvorhaben E-Drop-Sep der Institute für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) sowie dem für Energieübertragung und Hochspannungstechnik (IEH) der Universität Stuttgart soll aufbauend auf diesem Wirkprinzip ein neuartiger, energieeffizienter Tropfenabschneider entwickelt werden.
Um qualitative Aussagen über die Abhängigkeit der Tropfentrajektorien (Flugbahnen) von verschiedenen Parametern (z.B. Tropfengröße, Feldstärke, etc.) treffen zu können, sollen die Trajektorien in das elektrische Feld eingebrachten monodispersen Wassertropfen (homogene Größenverteilung: im Vorhaben zwischen D = 50 μm und D = 100 μm) mit optischer Messtechnik aufgenommen und analysiert werden (siehe Versuchsaufbau Abb. 1). Der Tropfengenerator wird am Prüfstand kurz vor der Teststrecke montiert (siehe Abb. 2). Die Teststrecke ist 1 m lang und verfügt über eine Hochspannungs- (obere, bis zu 15 kV)) und eine Gegenelektrode (untere, Erdpotential). Da ein Zylinderkondensator durch seine stets geschlossene Form keinen optischen Zugang für die Aufnahmen der Trajektorien ermöglicht, wird eine speziell entwickelte Elektrodengeometrie verwendet, die Simulationen zufolge in ausgewählten Bereichen das gleiche E-Feld aufweist wie ein Zylinderkondensator.
Lösung
Nutzung des Stroboskops A4-3505:
Das Stroboskop von RHEINTACHO wird in Verbindung mit einer Kamera zur Dokumentation der Tropfenbewegung eingesetzt. Für einfach belichtete Bilder wird das Stroboskop wie ein Blitz verwendet. Die geringe Belichtungszeit des Blitzes bei sonst abgedunkeltem Raum reduziert die Anforderung an die niedrigste
Belichtungszeit der Kamera. Die Intensität der Blitze kann am Stroboskop auf den passenden Wert eingestellt werden. Darüber hinaus sind auch Mehrfachbelichtungen möglich, wenn die Belichtungszeit der Kamera so eingestellt wird, dass eine Vielzahl von Blitzen das Bild (bzw. den Kamerasensor) belichten. Durch diesen Ansatz ist jeder Tropfen mehrfach auf dem Bild zu sehen.
Bei der Aufnahme von Videos wird das Stroboskop dazu eingesetzt, die frequenzabhängig austretenden Tropfen scheinbar einzufrieren bzw. deren Bewegung zu verlangsamen. Veränderungen in der Tropfenfrequenz werden dadurch sichtbar. Konkret werden mit dem Stroboskop zwei im Folgenden erläuterte Versuche durchgeführt.
Vorversuche mit dem Tropfengenerator (Versuchsaufbau Abb. 1):
Die Tropfen können durch Abstimmung der Stroboskopfrequenz auf die Belichtungszeit auf einfachbelichteten Aufnahmen abgebildet werden. Aufgrund der fehlenden Synchronisierung zwischen der Auslösung der Blitze des Stroboskops und der Kamera werden Serienbilder gemacht, bis zufällig ein richtig belichtetes Bild entsteht.
Die Aufnahmen in Abb. 3 zeigen die Tropfenketten. Sie wurden mit dem Versuchsaufbau in Abb. 1 erstellt. Die Regelmäßigkeit genauso wie Inhomogenitäten der Tropfenkette können anhand der Bilder begutachtet werden. Zur Überprüfung der einwandfreien Funktion des Tropfengenerators, wird die Stroboskopfrequenz an die Austrittsfrequenz der Tropfen angepasst. In diesem Frequenzbereich entsteht eine annährend stehend erscheinende Tropfenkette. Bei Veränderungen der Anregungsfrequenz am Tropfengenerator ist diese unter dem Licht des Stroboskops in der sich verändernden Wahrnehmung der Tropfenbewegung zu erkennen. So kann die ideale Anregungsfrequenz gefunden bzw. überprüft werden.
Tropfenablenkung im inhomogenen elektrischen Feld (Versuchsaufbau Abb. 2):
Der Prüfstand verfügt im Bereich der Teststrecke über einen optischen Zugang. Auf der einen Seite wird die Kamera, schräg gegenüber (Winkel von ca. 40°) das Stroboskop positioniert. Werden die Tropfen mit der richtigen Stroboskopfrequenz beleuchtet, kann die Ablenkung der Tropfen im E-Feld mit der
Kamera dokumentiert werden. Dabei sind sowohl Videos als auch mehrfach belichtete Bilder möglich.
Einzelaufnahmen sind wie beschrieben zwar prinzipiell realisierbar, aber das aufgrund der fehlenden Synchronisierung zwischen Stroboskop und Kamera nur unpraktikabel, da jedes Bild der Seitenansicht (siehe Abb. 4) aus mehreren einzelnen Aufnahmen und durch verschieben der Kamera zusammengesetzt werden muss. Für jedes Einzelne Bild müssten daher Serienaufnahmen gemacht werden, bis ein richtig belichtetes Bild entsteht.
Wie in Abb. 4 und Abb. 5 zu erkennen ist, können dank der Aufnahmen mit dem Stroboskop A4-3505 von RHEINTACHO Aussagen über die Ablenkung der Tropfen im elektrischen Feld, über die Stationarität der Bewegung (Aufgrund der Mehrfachbelichtung) und über die Verteilung der Tropfen an einer bestimmten Stelle des Bildbereichs getroffen werden. Dadurch ergaben sich im Forschungsvorhaben neue Erkenntnisse über die Tropfenablenkung im elektrischen Feld. Diese können im weiteren Verlauf des Projekts verwendet werden, um einen Prototyp des Tropfenabscheiders zu konstruieren.