DE102019100343A1

DE102019100343A1 - Erzeugung eines heterogenen gemischs aus einem fluid und festen, flüssigen oder gasförmigen partikeln

Info

Publication number: DE102019100343A1
Application number: DE102019100343.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Straußwald; Bernhard Bäumel
Original assignee: Universitaet der Bundeswehr Muenchen
Current assignee: Universitaet der Bundeswehr Muenchen
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2020-07-09

Abstract

Gezeigt wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines heterogenen Gemischs aus einem Fluid und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln, sowie ein Verfahren zur zwei- oder dreidimensionalen Messung einer Geschwindigkeit und/oder einer Temperatur einer Fluidströmung in einem Messabschnitt unter Verwendung des heterogenen Gemischs.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung eines heterogenen Gemischs aus einem Fluid und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln, sowie auf die Verwendung des erzeugten Gemischs beim zwei- oder dreidimensionalen Messen einer Geschwindigkeit und/oder einer Temperatur einer Fluidströmung.
STAND DER TECHNIK
Die Geschwindigkeit einer Fluidströmung kann durch Verfolgen der Bewegung fester, flüssiger oder gasförmiger Partikel in der Fluidströmung zwei- oder dreidimensional gemessen werden. Bspw. können die in der Fluidströmung enthaltenen Partikel in kurzer Folge angestrahlt und kann die durch die Partikel gestreute, reflektierte oder reemittierte elektromagnetische Strahlung erfasst werden, wodurch sich Rückschlüsse auf die Bewegung der Partikel und somit auf die Geschwindigkeit der Fluidströmung in einem Messabschnitt ziehen lassen.
Ferner kann die Temperatur einer Fluidströmung durch die Beimischung phosphoreszierender Partikel (z. B. ZnO-Partikel oder BAM:Eu [BaMgAl₁₀O₁₇: Eu²⁺)-Partikel) gemessen werden, vorausgesetzt, dass das phosphoreszierende Verhalten (z. B. die Abklingzeit) der Partikel ausreichend temperaturabhängig ist, indem die Partikel zur Phosphoreszenz angeregt werden und anschließend die durch die Partikel reemittierte elektromagnetische Strahlung ausgewertet wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung bereichert diesbezüglich den Stand der Technik, als erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren unerwünschte Partikelablagerungen bei der Erzeugung eines heterogenen Gemischs aus einem Fluid und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln reduzieren oder verhindern und dadurch die Steuerung der Partikelkonzentration bei der zwei- oder dreidimensionalen Messung der Geschwindigkeit und/oder der Temperatur einer Fluidströmung verbessern, wodurch genauere Messungen ermöglicht werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines heterogenen Gemischs aus einem Fluid und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln umfasst ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse ausgebildete Kammer mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass. Zur Verwirbelung des Fluids in der Kammer ist der Fluideinlass mit einem flexiblen Element versehen, welches in die Kammer hineinragt und mittels eines Fluidstroms durch den Fluideinlass zu chaotischen Bewegungen anregbar ist.
Dabei ist unter der Formulierung „heterogenes Gemisch aus einem Fluid und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln“, wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein heterogenes Gemisch aus einem homogenen Trägerfluid, wie bspw. einem homogenen Gas (-gemisch) oder einer homogenen Flüssigkeit, und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln zu verstehen, die (nach Durchmischung) gleichmäßig im Trägerfluid verteilt sind. Die in die Kammer diskontinuierlich oder kontinuierlich eingebrachte Partikelmenge bzw. -masse ist dabei vorzugsweise so auf das Kammervolumen und/oder den Volumenstrom durch den Fluidauslass (bzw. die Fluidauslässe) abgestimmt, dass im Messabschnitt eine angestrebte Partikelkonzentration vorliegt.
Die angestrebte Partikelkonzentration kann dabei vom jeweiligen Anwendungsfall abhängen (bedingt z. B. durch die Geometrie des Messabschnitts und die gewünschte Messauflösung) und kann durch einen Zielwert oder durch einen Zielbereich vorgegeben werden, bspw. eine Partikelkonzentration im Bereich von 10⁸ bis 10¹⁴ Teilchen pro m³, 10⁹ bis 10¹³ Teilchen pro m³ oder 10¹⁰ bis 10¹² Teilchen pro m³. Dabei kann die Partikelkonzentration des der Kammer entnommenen heterogenen Gemischs auch oberhalb des Zielwerts oder des Zielbereichs liegen, wenn das in der Kammer erzeugte heterogene Gemisch dem Messabschnitt verdünnt zugeführt wird (bspw. indem das heterogene Gemisch stromaufwärts des Messabschnitts mit einem homogenen oder inhomogenen Fluid gemischt wird). Als obere Grenze der angestrebten Partikelkonzentration kann ferner eine Partikelkonzentration gelten, bei der die rheologischen und/oder die thermischen Eigenschaften der zu untersuchenden Fluidströmung durch die Partikelzugabe verfälscht werden.
Des Weiteren ist unter dem Begriff „Fluid“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein homogenes Gasgemisch (bspw. Luft) oder eine homogene Flüssigkeit (bspw. Wasser) zu verstehen, dem/der die Partikel beigemischt werden bzw. beigemischt sind. Dabei sind unter dem Begriff „Partikel“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere kristalline oder amorphe Strukturen mit (im Wesentlichen) fester Größe, deren Agglomerate, sowie Flüssigkeitströpfchen und Gasbläschen mit Abmessungen im Mikrometerbereich oder im Submikrometerbereich zu verstehen.
Des Weiteren ist unter dem Begriff „Gehäuse“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine rigide Hüllstruktur zu verstehen, die einen Innenraum umschließt und diesen dadurch von einem Außenraum abtrennt. In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff „Fluideinlass“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Öffnung in der Hüllstruktur zu verstehen (bspw. ein zylindrischer Durchlass), durch die ein Fluid in den Innenraum geleitet werden kann. Analog ist unter dem Begriff „Fluidauslass“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Öffnung in der Hüllstruktur zu verstehen (bspw. ein zylindrischer Durchlass), durch die ein Fluid bzw. ein heterogenes Gemisch aus einem Fluid und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln aus dem Innenraum heraus geleitet werden kann.
Zudem versteht es sich, dass das Gehäuse noch weitere Öffnungen (als besagten Fluideinlass und besagten Fluidauslass) aufweisen kann, über die jedoch typischerweise keine unkontrollierte Fluidströmung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum stattfindet. Bspw. kann das Gehäuse einen Fluidauslass und einen mit dem Fluidauslass verbundenen Fluideinlass aufweisen, mittels derer eine Zirkulation des Fluids bewirkt wird.
Ferner ist unter dem Begriff „flexibles Element“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein längliches Element zu verstehen, entlang dessen Oberfläche das durch den Fluideinlass strömende Fluid fließt. Das flexible Element kann somit durch den Fluidstrom aus einer Ruhelage ausgelenkt bzw. deformiert werden und zugleich die Richtung des Fluidstroms durch seine Bewegung bzw. durch seine sich verändernde Gestalt beeinflussen. Dabei kann durch eine zufällig eintretende oder gezielt herbeigeführte Strömungsschwankung bei entsprechender Fluidgeschwindigkeit durch Fluid-Struktur-Interaktion eine selbsterhaltende, d. h. eine nicht von selbst abklingende, chaotische Bewegung des flexiblen Elements ausgelöst und damit ein chaotisches Strömungsfeld in der Kammer oder in einem Kammerbereich erzeugt werden.
Durch besagte chaotische Bewegung bzw. besagtes chaotisches Strömungsfeld kann die Bildung von Partikelablagerungen in der Kammer reduziert oder vermieden werden, wodurch die Steuerung der Partikelkonzentration bei der zwei- oder dreidimensionalen Messung der Geschwindigkeit einer Fluidströmung verbessert wird und genauere Messungen möglich werden.
Vorzugsweise ist das flexible Element als Schlauch ausgebildet, wobei ein Ende des Schlauchs frei beweglich in die Kammer hineinragt. Bspw. kann der Fluideinlass in ein erstes Ende des Schlauchs münden und ein zweites Ende des Schlauchs frei beweglich in die Kammer hineinragen oder der Schlauch durch eine Gehäuseöffnung in die Kammer geführt sein.
Dabei ist unter dem Begriff „Schlauch“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine flexible Struktur zu verstehen, die einen länglichen Fluidkanal mit einem in Strömungsrichtung typischerweise gleichbleibenden Querschnittsumfang quer zur Strömungsrichtung umschließt. Es ist aber auch eine Ausführungsform vorstellbar, gemäß der der besagte Querschnittsumfang in Strömungsrichtung variiert, sich also beispielsweise zumindest abschnittsweise vergrößert oder verkleinert.
Vorzugsweise ist die Kammer mittels eines fluiddurchlässigen Elements in ein erstes Kompartiment und ein zweites Kompartiment unterteilt, wobei ein Fluidstrom vom Fluideinlass zum Fluidauslass durch das fluiddurchlässige Element strömt.
Dabei ist unter dem Begriff „fluiddurchlässiges Element“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Element zu verstehen, das das Fluid im Wesentlichen ungehindert passieren lässt, Partikelagglomerate jedoch (zumindest ab einer gewissen Größe) nicht passieren lässt.
Wird bspw. ein Partikelpulver auf Seiten des Fluideinlasses in die Kammer eingebracht, kann das fluiddurchlässige Element (zu große) Partikel-Agglomerate zurückhalten. Wird das Partikelpulver hingegen auf Seiten des Fluidauslasses in die Kammer eingebracht, kann durch das fluiddurchlässige Element vermieden werden, dass sich direkt am/um den Fluideinlass Partikelablagerungen bilden.
Vorzugsweise ist das fluiddurchlässige Element als gitterartiger Partikelträger ausgebildet.
Dadurch kann bspw. ein Pulver auf den Partikelträger gegeben und der Fluidstrom von unten auf den Partikelträger gerichtet werden, so dass das Pulver zerstäubt und in der Kammer bzw. oberhalb des Partikelträgers verteilt bzw. im Fluid dispergiert wird.
Zudem kann das Pulver zwischen zwei gitterartige Elemente eingebracht werden, so dass in Pulverform eingebrachte Partikel weder am Fluideinlass Ablagerungen bilden noch als zu große Agglomerate die Kammer verlassen können.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung in ein System integriert, das eine Einrichtung zur Messung einer Partikelbewegung und/oder einer Partikeltemperatur in einem Messvolumen umfasst, wobei der Fluidauslass der Vorrichtung mit einem in das Messvolumen mündenden Fluideinlass verbunden ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung eines heterogenen Gemischs aus einem Fluid und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln umfasst ein Erzeugen eines chaotischen Strömungsfelds mittels eines flexiblen Elements, welches durch einen Fluidstrom zu chaotischen Bewegungen angeregt wird, und ein Führen des Fluidstroms durch einen fluiddurchlässigen Partikelträger zur Erzeugung des heterogenen Gemischs aus dem Fluid und den festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln.
Das heterogene Gemisch kann in einem Verfahren zur zwei- oder dreidimensionalen Messung einer Geschwindigkeit und/oder einer Temperatur einer Fluidströmung in einem Messabschnitt eingesetzt werden, welches ein Zuführen des Gemischs zum Messabschnitt und ein Messen einer Bewegung und/oder einer Temperatur der Partikel im Messabschnitt umfasst.
Dabei ist unter der Formulierung „zwei- oder dreidimensionale Messung einer Geschwindigkeit und/oder einer Temperatur“, wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere insbesondere eine Messung von zwei oder dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektoren und/oder von Temperaturen in Form von Geschwindigkeitsfeldern bzw. Temperaturfeldern in einer Ebene oder im Raum zu verstehen.
Vorzugsweise ist das flexible Element als Schlauch ausgebildet, wobei ein Ende des Schlauchs frei beweglich ist und der Fluidstrom durch den Schlauch geführt wird, wodurch das freie Ende zu chaotischen Bewegungen angeregt wird.
Vorzugsweise werden die Partikel der Kammer als zu zerstäubendes Partikelpulver zugeführt, welches im agglomerierten Zustand nicht durch den Partikelträger hindurchtreten kann.
Vorzugseise umfasst das Partikelpulver Partikelagglomerate, die im Mittel größer als 1 µm sind.
Vorzugsweise umfassen die Partikel ein phosphoreszierendes Material, insbesondere ZnO und/oder BAM:Eu.
Dabei versteht es sich, dass alle Merkmale erfindungsgemäßer Vorrichtungen auf korrespondierende Merkmale erfindungsgemäßer Verfahren, welche sich auf eine mögliche Verwendung erfindungsgemäßer Vorrichtungen beziehen, abbildbar sind und umgekehrt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungsfiguren Bezug genommen wird, in denen:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
1a und 1b schematische Querschnittsansichten möglicher Abwandlungen des flexiblen Elements zeigen;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer möglichen Abwandlung der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren möglichen Abwandlung der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
4, 4a und 4b schematische Querschnittsansichten weiterer möglicher Abwandlungen der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen;
5a und 5b schematische Querschnittsansichten weiterer möglicher Abwandlungen der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen;
6 und 6a eine schematische Querschnittsansicht und eine isometrische Ansicht einer weiteren möglichen Abwandlung der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen;
7 ein System zum Messen einer Partikelbewegung und/oder einer Partikeltemperatur in einem Messvolumen illustriert, in dem die in 1 gezeigte Vorrichtung oder eine der Abwandlungen verwendet werden können; und
8 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

Dabei sind in den Zeichnungsfiguren gleiche und funktional ähnliche Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Jedoch versteht es sich, dass nicht notwendigerweise alle Elemente in allen Zeichnungsfiguren gezeigt sind und dass die gezeigten Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sind. Zudem versteht es sich, dass Abwandlungen derselben Ausführungsform miteinander kombiniert werden können.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSARTEN
1 zeigt eine Vorrichtung 10 (bspw. einen „Seeder“) zur Erzeugung eines heterogenen Gemischs (bspw. eines Aerosols) aus einem Fluid 12 (bspw. Luft) und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln 14 (bspw. Feststoffpartikeln). Die Vorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 16 (bspw. einen zylindrischen Hohlkörper) und eine in dem Gehäuse 16 ausgebildete Kammer 18 mit einem Fluideinlass 20 und einem Fluidauslass 22. Der Fluideinlass 20 ist zur Verwirbelung des Fluids 12 in der Kammer 18 mit einem flexiblen Element 24 versehen, welches in die Kammer 18 hineinragt und mittels eines Fluidstroms durch den Fluideinlass 20 zu chaotischen Bewegungen anregbar ist.
Wie in 1 gezeigt, kann das flexible Element 24 als flexibler Schlauch 24 ausgebildet sein, wobei der Fluideinlass 20 (bspw. eine Schlauchtülle) in ein erstes Ende 26a des flexiblen Schlauchs 24 mündet und ein zweites Ende 26b des flexiblen Schlauchs 24 frei beweglich in die Kammer 18 hineinragt. Ferner kann der Schlauch 24 durch eine Öffnung im Gehäuse 16 in die Kammer 18 geführt sein, wobei der Fluideinlass 20 als Schlauchabschnitt ausgebildet ist, an den sich ein erstes Ende 26a des in die Kammer 18 ragenden Schlauchabschnitts anschließt. Der Schlauch 24 kann aus einem flexiblen Kunststoff wie bspw. Silikon bestehen.
Die Vorrichtung 10 kann mit einem abnehmbaren Deckel 28 versehen sein, durch dessen Abnahme die Kammer 18 (bzw. der Topf, d. h. der zylindrische Hohlkörper mit Bodenplatte) mit Feststoffpartikeln 14 (bspw. mit einem Partikelpulver) befüllt werden kann. Ferner kann die Vorrichtung 10 Zuleitungen (nicht gezeigt) aufweisen, über die flüssige oder gasförmige Partikel 14 in die Kammer 18 geleitet werden können. Die Befüllung/Zuleitung kann kontinuierlich oder stoßweise erfolgen.
Während des Betriebs der Vorrichtung 10 kann durch den Schlauch 24 ein Fluid 12 in die Kammer 18 geleitet werden, wobei die Geschwindigkeit der Fluidströmung so lange erhöht wird, bis das freie Ende 26b des Schlauchs 24 in der Kammer 18 zu chaotischen Bewegungen angeregt wird. Durch den aus dem (sich chaotisch bewegenden) freien Schlauchende 26b austretenden Fluidstrom wird ein chaotisches Strömungsfeld erzeugt, das eine gleichmäßige Mischung des Fluids 12 und der Partikel 14 bewirkt und Partikelablagerungen vermeidet. Ein chaotisches Strömungsfeld kann jedoch nicht nur durch Führen des Fluidstroms durch einen Schlauch 24 mit einem freien Schlauchende 26b bewirkt werden.
Bspw. kann, wie in 1a gezeigt, das flexible Element 24 anstatt des in 1 gezeigten Schlauchs 24 auch als Hohlkörper mit mehr als zwei Öffnungen ausgebildet sein, wobei das durch den Fluideinlass 20 strömende Fluid den Hohlkörper durchströmt und an den (kammerseitigen) Öffnungen austritt, wodurch der Hohlkörper bei entsprechender Fluidgeschwindigkeit zu chaotischen Bewegungen angeregt wird. Ferner kann, wie in 1b gezeigt, das durch den Fluideinlass 20 strömende Fluid 12 das flexible Element 24 auch umströmen, wobei Asymmetrien im Aufbau des flexiblen Elements 24 (in Bezug auf die Strömungsrichtung) bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit dazu führen, dass das flexible Element 24 im Fluidstrom flattert und dabei chaotische Bewegungen ausführt.
Zudem können die in 1, 1a und 1b gezeigten Ausführungsformen auch kombiniert werden, bspw. indem ein flexibles Element 24 von einem Teil des durch den Fluideinlass 20 strömenden Fluids 12 durchströmt und von einem Teil des durch den Fluideinlass 20 strömenden Fluids 12 umströmt wird.
Wie in 1 und 2 gezeigt, können der Fluideinlass 20 und der Fluidauslass 22 an unterschiedlichen (bspw. gegenüberliegenden) Seiten des Gehäuses 16 (bspw. Fluideinlass 20 im Gehäuseboden und Fluideinlass 20 im Gehäusedeckel 28) oder an derselben Seite (bspw. im Gehäusedeckel 28) vorgesehen sein. Insbesondere kann der Fluidauslass 22 an einer Gehäuseoberseite vorgesehen sein, wenn die Partikel 14 eine größere Dichte haben als das Fluid 12 (wie in 1 und 2 gezeigt) oder an der Gehäuseunterseite, wenn die Partikel 14 eine geringere Dichte haben als das Fluid 12.
Wie in 3 gezeigt kann, wenn die Partikel 14 eine größere Dichte haben als das Fluid 12, die Gehäuseunterseite um den Fluideinlass 20 herum nach außen abfallend sein, um die Partikel 14 vom Fluideinlass 20 wegzuleiten und eine Ablagerung von Partikeln 14 um das flexible Element 24 herum zu vermeiden. Ferner kann, wenn die Partikel 14 eine kleinere Dichte haben als das Fluid 12, die Gehäuseoberseite zudem um den Fluideinlass 20 und um den Fluidauslass 22 herum nach außen aufsteigend sein (nicht gezeigt), um die Partikel 14 vom Fluideinlass 20 und Fluidauslass 22 wegzuleiten und eine Ablagerung von Partikeln 14 um das flexible Element 24 und den Fluidauslass 22 herum zu vermeiden.
Wie in 4 gezeigt, kann die Kammer 18 ferner mittels eines fluiddurchlässigen Elements 30 in ein erstes Kompartiment 32a und in ein zweites Kompartiment 32b unterteilt sein, wobei ein Fluidstrom vom Fluideinlass 20 zum Fluidauslass 22 durch das fluiddurchlässige Element 30 strömt. Das fluiddurchlässige Element 30 kann bspw. als flache Membran oder als flaches Gitter ausgebildet sein, das die Kammer 18 in zwei Hälften teilt. Es versteht sich, dass die beiden Kompartimente 32a und 32b aber nicht notwendigerweise dasselbe Volumen umfassen müssen.
Wie in 4a illustriert, kann das fluiddurchlässige Element 30 auch als gitterartiger Partikelträger 30 ausgebildet sein. Die Porengröße des Partikelträgers 30 kann dabei so dimensioniert sein, dass in Pulverform auf den Partikelträger 30 aufgebrachte Partikel 14 auf dem Partikelträger 30 zu liegen kommen und auch durch den Fluidstrom aufgewirbelte Partikel 14 nicht (oder nur in geringer Menge) durch den Partikelträger 30 hindurchtreten können. Die Porengröße des Partikelträgers 30 kann ferner so dimensioniert sein, dass in Pulverform auf den Partikelträger 30 aufgebrachte Partikel 14 auf dem Partikelträger 30 zu liegen kommen, wohingegen aufgewirbelte Partikel 14 durch den Partikelträger 30 hindurchtreten können.
Wie in 4b illustriert, kann das fluiddurchlässige Element 30 auch als Filter ausgebildet sein, der verhindert, dass zu große Partikelagglomerate zum Fluidauslass 22 gelangen. Ferner kann, wie in 5a gezeigt, die Kammer 18 mittels zweier fluiddurchlässiger Elemente 30 in ein erstes Kompartiment 32a, ein zweites Kompartiment 32b und ein drittes Kompartiment 32c unterteilt sein. Dabei können die fluiddurchlässigen Elemente 30, wie in 5a gezeigt, eine gleiche Porengröße, oder wie in 5b gezeigt, unterschiedliche Porengrößen aufweisen. Bspw. kann die Porengröße des in Richtung Fluidauslass 22 angeordneten fluiddurchlässigen Elementes 30 größer sein, um das chaotische Fluidstromfeld nicht zu sehr zu dämpfen und trotzdem zu verhindern, dass zu große Partikelagglomerate zum Fluidauslass 22 gelangen.
Ferner können, wie in 6 und 6a gezeigt, die Kompartimente 32a, 32b unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Bspw. kann das fluidauslassseitige Kompartiment 32b einen größeren Durchmesser oder ein größeres Volumen aufweisen, als das fluideinlassseitige Kompartiment 32a. Bei Verwendung der Vorrichtung 10 wird das Fluid 12 vom Boden über den Schlauch 24 durch das fluiddurchlässige Element 30 in das mit Partikeln 14 (in 6a zur Sichtbarmachung des fluiddurchlässigen Elements 30 nicht gezeigt) gefüllte fluidauslassseitige Kompartiment 32b geleitet, in dem die Partikel 14 auf dem fluiddurchlässigen Element 30 (etwa auf halber Höhe der Kammer 18) liegen, wobei die starke Agglomeration des Pulvers dazu führt, dass - wenn überhaupt - nur ein Bruchteil der Partikel 14 durch das fluiddurchlässige Element 30 nach unten fällt.
Durch Instabilitäten in der Strömung und Unregelmäßigkeiten im Schlauch 24 beginnt der Schlauch 24 ab einer gewissen Geschwindigkeit des hindurchgeführten Fluidstroms hin und her zu schwingen. Dies erzeugt ein chaotisches Strömungsfeld, welches die Partikel 14 großflächig aufwirbelt. Im fluidauslassseitigen Kompartiment 32b bildet sich dadurch ein heterogenes Gemisch aus aufgewirbelten Partikeln 14 und dem Fluid 12, welches über den Fluidauslass 22 abgeführt werden kann. Das chaotische Strömungsfeld verhindert die Ablagerung von Partikeln 14 in sog. „Totwassergebieten“, wodurch bis zur Erschöpfung des Partikelvorrats eine gleichbleibende Menge an Partikeln 14 vom Fluid 12 aufgenommen werden kann.
Wie in 7 gezeigt, kann die Vorrichtung 10 in ein System 34 mit einer Einrichtung 36 zur Messung einer Partikelbewegung und/oder einer Partikeltemperatur in einem Messvolumen bzw. Messabschnitt 38 integriert sein, wobei der Fluidauslass 22 der Vorrichtung 10 mit einem in das Messvolumen 38 mündenden Fluideinlass 40 verbunden ist. Die Einrichtung 36 kann bspw. eine Strahlungsquelle 42 und Sensoren 44 zur Erfassung abgelenkter oder reemittierter elektromagnetischer Strahlung umfassen. Bspw. können die Partikel 14 aus einem thermografischen Phosphor (wie z. B. ZnO oder BAM:Eu) bestehen und die durch die Strahlungsquelle 42 emittierte elektromagnetische Strahlung die Partikel 14 zur Phosphoreszenz anregen, welche durch die Sensoren 44 erfasst (und durch eine nachgelagerte Analyseeinheit (nicht gezeigt) ausgewertet) werden kann.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur zwei- oder dreidimensionalen Messung einer Geschwindigkeit und/oder einer Temperatur einer Fluidströmung in einem Messabschnitt 38, welches unter Verwendung des in 7 gezeigten Systems 34 durchgeführt werden kann. Das Verfahren beginnt bei Schritt 46 mit dem Erzeugen eines chaotischen Strömungsfelds mittels des flexiblen Elements 24, welches durch einen Fluidstrom zu chaotischen Bewegungen angeregt wird. Bei Schritt 48 wird der Fluidstrom durch einen fluiddurchlässigen Partikelträger 30 zur Erzeugung eines heterogenen Gemischs aus dem Fluid 12 und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln 14 geführt. In Schritt 50 wird das Gemisch dem Messabschnitt zugeführt und in Schritt 52 wird die Bewegung und/oder die Temperatur der Partikel 14 im Messabschnitt gemessen.
Wie in 8 durch die gestrichelten Blöcke angedeutet, kann das heterogene Gemisch aus dem Fluid 12 und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln 14 auch in anderen Anwendungen, bei denen eine Ablagerung von Partikeln 14 in sog. „Totwassergebieten“ vermieden werden muss/soll, Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Fluid
14: Partikel
16: Gehäuse
18: Kammer
20: Fluideinlass
22: Fluidauslass
24: flexibles Element/Schlauch
26a: Ende (des flexiblen Elements/Schlauchs)
26b: Ende (des flexiblen Elements/Schlauchs)
28: Deckel
30: fluiddurchlässiges Element/Partikelträger
32a: Kompartiment
32b: Kompartiment
32c: Kompartiment
34: System
36: Einrichtung (zur Messung einer Partikelbewegung und/oder einer Partikeltemperatur in einem Messvolumen/-abschnitt)
38: Messvolumen/-abschnitt
40: Fluideinlass
42: Strahlungsquelle
44: Sensor
46: Prozessschritt
48: Prozessschritt
50: Prozessschritt
52: Prozessschritt

Claims

Vorrichtung (10) zur Erzeugung eines heterogenen Gemischs aus einem Fluid (12) und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln (14), umfassend: ein Gehäuse (16); und eine in dem Gehäuse (16) ausgebildete Kammer (18) mit einem Fluideinlass (20) und einem Fluidauslass (22); wobei der Fluideinlass (20) zur Verwirbelung des Fluids (12) in der Kammer (18) mit einem flexiblen Element (24) versehen ist, welches in die Kammer (18) hineinragt und mittels eines Fluidstroms durch den Fluideinlass (20) zu chaotischen Bewegungen anregbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei: das flexible Element (24) als Schlauch (24) ausgebildet ist; und ein Ende (26b) des Schlauchs (24) frei beweglich in die Kammer (18) hineinragt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammer (18) mittels eines fluiddurchlässigen Elements (30) in ein erstes Kompartiment (32a) und ein zweites Kompartiment (32b) unterteilt ist, wobei ein Fluidstrom vom Fluideinlass (20) zum Fluidauslass (22) durch das fluiddurchlässige Element (30) strömt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das fluiddurchlässige Element (30) als gitterartiger Partikelträger (30) ausgebildet ist.
System (34), umfassend: eine Einrichtung (36) zur Messung einer Partikelbewegung und/oder einer Partikeltemperatur in einem Messvolumen (38); und eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fluidauslass (22) der Vorrichtung (10) mit einem in das Messvolumen (38) mündenden Fluideinlass (40) verbunden ist.
Verfahren zur Erzeugung eines heterogenen Gemischs aus einem Fluid (12) und festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln (14), umfassend: Erzeugen (46) eines chaotischen Strömungsfelds mittels eines flexiblen Elements (24), welches durch einen Fluidstrom zu chaotischen Bewegungen angeregt wird; und Führen (48) des Fluidstroms durch einen fluiddurchlässigen Partikelträger (30) zur Erzeugung des heterogenen Gemischs aus dem Fluid (12) und den festen, flüssigen oder gasförmigen Partikeln (14).
Verfahren zur zwei- oder dreidimensionalen Messung einer Geschwindigkeit und/oder einer Temperatur einer Fluidströmung in einem Messabschnitt, umfassend: Erzeugen eines heterogenen Gemischs nach Anspruch 6; Zuführen des Gemischs zum Messabschnitt; und Messen einer Bewegung und/oder einer Temperatur der Partikel (14) im Messabschnitt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei: das flexible Element (24) als Schlauch (24) ausgebildet ist; ein Ende (26b) des Schlauchs (24) frei beweglich ist; und der Fluidstrom durch den Schlauch (24) geführt wird und das freie Ende (26b) zu chaotischen Bewegungen anregt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Partikel (14) der Kammer (18) als zu zerstäubendes Partikelpulver zugeführt werden, welches im agglomerierten Zustand den Partikelträger (30) nicht durchtreten kann.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Partikelpulver Partikelagglomerate umfasst, die im Mittel größer als 1 µm sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Partikel (14) ein phosphoreszierendes Material, insbesondere ZnO und/oder BAM:Eu, umfassen.