4.                      Die Anlage
4.1                    Berechnungsgrundlagen

Da die Untersuchungen im laminaren Bereich stattfinden sollen, lässt sich als erster Anhaltspunkt sagen, die Reynoldszahl soll im Bereich von Re = 10 Re krit (2300) bis ca. Re = 3000 liegen. Dazu passend muss ein Kompromiss geschlossen werden, zwischen dem Rohrdurchmesser d (Glg. 7), der Einlauflänge l (Glg. 12) und den dazu berechneten mittleren Geschwindigkeit v und dem max. Durchfluss Q (Glg. 2).  Als Entscheidungshilfe dient Tab. 1.

Diskussion:
Der Rohrdurchmesser soll möglichst groß sein, damit größere Proben ausgemessen werden können – und um die Sondengröße relativ kleiner werden zu lassen. Die Einlauflänge begrenzt ein größeres d. Der Geschwindigkeitsunterschied im laminaren Gebiet soll möglichst groß sein, um besser abgestufte Ergebnisse zu erzielen, jedoch soll wiederum die benötigte Fördermenge Q max klein gehalten werden, damit die Anforderungen an den zu erstellenden Generator lösbar bleiben. Es wurde der Kompromiss von d = 4,6 cm gewählt, da hierzu passend handelsübliche glasklare Plexiglasrohre zur Verfügung stehen. Diese Plexiglasrohre besitzen wiederum den Vorteil, dass Undichtigkeits- und Passstellen visuelle überprüft werden können. Sie sind technisch glatt und isolieren thermisch sehr gut.
 
4.2                    Übersicht zur Anlage
Abb. 3 zeigt als Schema die erstellte Anlage. Hinter dem Wandventil der Pressluftleitung befindet sich das Feinregulierventil mit maximal 20 Umdrehungen, anschließend ist ein Manometer geschaltet, um den statischen Druck p1 für die Luftstrahldüse zu messen. Die Luftstrahldüse fördert in Abhängigkeit von p1 Falschluft, welche über ein Doppelventil und hinter geschalteten Durchflussmessern – sog. Rotameter – volumenmäßig pro Zeiteinheit gemessen wird.

Rota 1              Qmin = 0,005 l/sec                              Qmax = 0,2 l/sec
Rota 2              Qmin = 0,1 l/sec                                  Qmax = 2 l/sec

Die beiden Messwege werden durch ein T-Stück an die Rohrleitung angeschlossen, welchem zuerst noch ein parallel geschalteter Ausgleichsbehälter von ca. 60 l Inhalt zugeschaltet ist, um Druckschwankungen zu kompensieren. Die Pfeile kennzeichnen die Strömungsrichtung des Mediums Luft. Die Anschlussarmaturen, Zuleitungen, Messgeräte etc. sind in einem Schaltkasten übersichtlich untergebracht (siehe Abb. 4). Eine Übersicht zur Anlage zeigt auch Abb. 5. Vor der Sondendurchführung befindet sich ein 2 m Plexiglasrohr als Auslaufstrecke – als Einlaufstrecke werden 3 Plexiglasrohre – ca. 2 m – mittels passenden fettabgedichteten Plexiglasmuffen von ca. 0,30 m verwendet (Abb. 6). Um Einlaufstörungen herabzusetzen, wird ein Einlauftrichter und ein sog. Strömungsgleichrichter, bestehend aus Kunststoff, verwendet – Länge = 1 dr = 4,6 cm und ca. 90 Düsen von einem Durchmesser dG = 0,05 dR, d. h. 2,3 mm.
(Lit. (1)) – Siehe Abb. 7.

4.3                  Der Generator
4.3.1.              Forderungen

Nach dem festgelegten Rohrdurchmesser d berechnet sich die max. Fördermenge Q nach Gleichung 2) (auf 1,7 l/sec) (Siehe Abschnitt 4.1., Tabelle1).

Um die beiden Durchflussmesser Rota 1 und Rota 2 voll ausnutzen zu können, wird eine Mindestfördermenge von 2,2 l/sec benötigt. Der Generator sollte über Reserve verfügen, um die noch auftretenden Verluste abdecken zu können. Er soll so ausgelegt werden, damit er im Falschluftbetrieb die Anlage im Saugverfahren betreiben kann. Dies hat den Vorteil, dass das Strömungsmedium Luft keine Temperaturänderung (Raumtemperatur) erfährt; außerdem werden Druckschwankungen der Pressluft – zum Vergleich im Direktbetrieb – herabgesetzt.

Den Messplatz, auf welchen noch ausführlich eingegangen wird, zeigt Abb. 8.

4.3.3.         Entwicklung des Generators
4.3.3.1.      Die Mutationsmaschine

Aus einer 1mm starken PVC-Folie wurden ca. 160 Quadrate von der Kantenlänge 7,5 cm herausgeschnitten. Diese Plättchen sind zentriert und anschließend mit abgestuften Bohrungsdurchmessern von der Größe 46 mm bis herab zu 6 mm versehen sowie entgratet worden. Dann wurde eine Verschiebevorrichtung gebaut. Diese bestand aus einem Saugraum – mit Anschluß an die Rotameter zur Durchflussmengenmessung-, einem Messingstab mit einem konstanten Durchmesser und einer Aufnahmevorrichtung für die Lochplättchen, als sog. kombinierbarer, veränderlicher Hohlkörper der Luftstrahlpumpe (siehe Abb. 9).
Die Lochplättchen, auf welche der jeweilige Durchmesser eingraviert war, wurden in einer Reihe aufgereiht und dadurch schon eine gewollte, erfolgversprechende Form vorgegeben (siehe Abb. 10).

Die Durchmesser-Reihenfolge wurde notiert, und dann wurde bei einem immer konstanten Pressluftdruck p1 eine Falschluftmessung (Ansaugluft) mit dem Durchflussmesser Rota 2 durchgeführt und ebenfalls festgehalten. Als nächster Schritt wurde die Reihenfolge der Lochplättchen verändert, indem ein Plättchen weggenommen oder in die Reihe eingesetzt wurde. Diese Veränderung wurde notiert (siehe Tab. 2 –Schema-) und wiederum eine Durchflussmessung durchgeführt.

Verlief diese positiv, d. h. erhöhte sich der Durchfluss der Falschluft, wurde diese Veränderung beibehalten, veranlasste die Veränderung jedoch eine Verringerung der Falschluftansaugung wurde die Veränderung (Plättchen) wieder rückgängig gemacht. Notiert wurden jeweils nur die Veränderungen, um nicht immer die Gesamtreihenfolge mitzuschreiben. Diesem Prinzip liegt der Mutationsgedanke zugrunde, d. h. jede positive Veränderung bleibt erhalten, negative Veränderungen sind zum Sterben verurteilt (werden wieder rückgängig gemacht). Der Unterschied bei dem von mir angewandten Verfahren gegenüber dem reinen Mutationsgedanken liegt darin, dass die Veränderungen des Diffusorraumes (Querschnitt, Länge, Steigung usw.) nicht dem Zufall unterliegen, sondern gewollt intuitiv verliefen.

4.3.3.1.         Ergebnisse
Eine gute Optimierung konnte natürlich nicht erreicht werden, da die Lochplättchenabstufungen natürliche Fehlerquellen darstellten, d. h. der Diffusorraum selbst bzw. der Misch- und Ansaugraum wurden nicht stetig erweitert bzw. verengt, sondern erfolgten stufenweise mit zum Teil nicht ausreichend zentrierten Durchmessern. Dies hatte Ablösungen und Wirbelbildung zur Folge. Die Frage war nun, inwieweit das gefundene Optimum sich bei stetigem Übergang des Diffusors übertragen ließ.
Der maximal angesaugte Falschluftdurchfluß betrag 2,2 l/sec. Bei einem Betriebsdruck von p1 = 1,6 atü.
Die endgültige Form enthält Abb. 9. Ihr wurden die konstruktiven Daten zum Bau der Luftstrahldüse entnommen.

Diskussion zu Tabelle 2
In der linken Spalte ist die Reihenfolge der Lochplättchendurchmesser aufnotiert. Eine Veränderung wurde erreicht durch Wegnahme eines Plättchens (gekennzeichnet mit einem Strich) oder durch Einschub. Tabelle 2 stellt natürlich nur einen Auszug dar, um das Prinzip erkennen zu lassen. Insgesamt wurden 150 Schritte getätigt, bis keinerlei positive Veränderung mehr eintrat.
 

4.3.5        Folgerungen

Vergleicht man in Diagramm 1 die gefundene Kennlinie der Luftstrahldüse mit der Wasserstrahlpumpenkennlinie, so erkennt man, dass bei Druckschwankungen in der Pressluftleistung – also p1 – die Falschluftfördermenge im unteren Bereich der Luftstrahlkennlinie sehr stark mitschwankt, im Gegensatz zu der viel stabileren, d. h. flacheren Wasserstrahlpumpenkennlinie.

Erhöht man nun in dem Saugweg den Widerstand (Verluste), sinkt die Fördermenge, die Kennlinie verbiegt sich. Am einfachsten geschieht dies durch Drosselung an den Ventilen. In Diagramm 2 sind 4 Kennlinien der Luftstrahldüse eingetragen. Die Falschluftfördermenge Q ist in Abhängigkeit vom Primärtreibmitteldruck p1 aufgetragen, als Parameter ist die Drosselung des Saugweges als Ventilstellung angegeben. Der Druck p1 ist nur bis 1 at. ausnutzbar, da der Pressluftleitungsdruck von ca. 2,8 at. durch das Feinregulierventil (Verluste) auf diesen Wert herabgesetzt wird. Gleichzeitig werden allerdings Leitungsdruckschwankungen durch das reduzierende Verhalten des Feinventils auch vermindert. Bei der Fördermenge von 1,25 l/sec. Wird im Rohr Rekrit erreicht. In diesen Bereich wurden beispielsweise die Arbeitspunkte A1, A2 und A3 gelegt. Tabelle 3 gibt die dynamischen Auswirkungen für den Durchfluss bzw. als Geschwindigkeitsschwankung an.
 
 
Tab. 3

Besonders deutlich zeigen die Arbeitspunkte A4 und A5 das reduzierende Verhalten der Ventildrosselung.

DIAGRAMM 2

 
Bei voll geöffnetem Ventil 1 arbeitet Rota 1 im steilsten Anstieg der Kennlinie. Hier führt –theoretisch- ein  p von 1/100 at eine Durchflussänderung von  Q = 0,1 l/sec herbei, was eine Geschwindigkeitsänderung von   v = 6 cm/sec bedeuten würde. In der Praxis schwankt die Anzeige des Rota 1 um ± 10 Skt., dies entspricht einem   Q von 0,01 l/sec, also etwa 1/10 des theoretischen Wertes. Entweder liegen die Druckschwankungen niedriger als 1/100 at oder die Saugleitung schluckt die Druckminderung.

Beim Betrieb von Rota 2 schwankt die Anzeige um ± 1 Skt., dies entspricht ebenfalls einem   Q von 0,01 l/sec. Wird die Kennlinie durch Drosselung der Ventile gedrückt, geht die Anzeigenschwankung auf Null zurück. Zum Beispiel zeigt der Arbeitspunkt A4 nach einer Änderung von p = 1/100 eine theoretische Schwankung von Q = 0,0015 l/sec, dies entspricht einem   v ~ 0,1 cm/sec. In der Praxis steht die Anzeige des Rotameters jedoch stabil; zusätzlich kommt der Puffer des Ausgleichsbehälters hinzu, so dass am Messort ein stabiler Durchfluss erreicht wird.

Nachteilig ist die schwierige Drosselung der Ventile, sie sind nicht reproduzierbar einzustellen. Hier müssten nachträglich Feinregulierventile mit möglichst kleinem Verlustbeiwert eingebaut werden – kleiner Verlustbeiwert bei maximaler Fördermenge, um diese noch zu garantieren. Da die Luftstrahlpumpe noch Falschluftreserve hat, dürfte dies möglich sein.