Auslegung und Simulation eines kalorimetrischen Messsystems zur Bestimmung des Kaltwandwärmestroms in Hochenthalpie-Strömungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Auslegung eines kalorimetrischen Messsystems zur Messung des Kaltwandwärmestroms im Staupunkt eines Versuchskörpers. Das Funktionsprinzip dieses Wärmemessinstruments basiert auf einer Energiebilanz. Der eingehende Wärmestrom ist im stationären Zustand gleich der Erwärmung eines vorgegebenen Wassermassenstroms. Daher wird das Strömungskalorimeter bedingt durch das Messprinzip während der Messung gekühlt und ist damit auch für hohe Wärmebelastungen auslegbar. In den lichtbogenbeheizten Windkanälen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt werden Hochenthalpie-Strömungen erzeugt, die Wärmeströme von bis zu 16 MW/m² auf den Versuchskörper übertragen. Daher muss eine möglichst effiziente Kühlung sowohl für die Halterung als auch für das Strömungskalorimeter entwickelt werden, um die zur Messung des Kaltwandwärmestroms benötigte kalte Oberfläche trotz der hohen Wärmebelastung zu erhalten. Zusätzlich muss das Strömungskalorimeter von der Halterung isoliert werden, um Verfälschungen des Messergebnisses aufgrund von Querwärmeströmen zu vermeiden. Für die Isolation hat sich der Kunststoff PEEK aufgrund seiner niedrigen Wärmeleitfähigkeit als geeignetes Material herausgestellt. Um den Wärmestau an der Oberfläche der Bauteile zu reduzieren, werden das Strömungskalorimeter und die Halterung aus Kupfer gefertigt, da dieses Material eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. In einer vorangegangenen Arbeit konnte bereits gezeigt werden, dass spiralförmige Kühlkanäle direkt unter der Oberfläche eine effiziente Kühlung darstellen. Diese Erkenntnis ist im Verlauf der Arbeit zunächst auf die Halterung übertragen und dann sowohl für die Halterung als auch für das Strömungskalorimeter weiterentwickelt worden. Dabei hat sich herausgestellt, dass aufgrund der unbekannten Rauheit der Kühlkanäle und der Wassererwärmung infolge der hydraulischen Leistung eine Kalibrierung des Messsystems im Vorfeld der Messungen durchgeführt werden muss. Mithilfe von Simulationen des Gesamtsystems, bestehend aus Strömungskalorimeter, Halterung und PEEK-Hülse zur Isolierung, wird der Querwärmestrom zwischen den Komponenten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Querwärmestrom aufgrund der effizienten Isolierung sehr gering ist. Im Rahmen einer Fehlerrechnung werden die weiteren Fehler, die durch die Temperatur- und Massenstrommessung, durch Wärmestrahlung des Kalorimeters und durch den Wärmeübergang innerhalb des Ringspalts zwischen der Kalorimeteroberfläche und der Halterungsoberfläche hervorgerufen werden, berücksichtigt. Der dabei berechneten Fehler beträgt weniger als 2,9%.