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Genaue Messung von Stoffdaten

 

Am Lehrstuhl für Thermodynamik werden hochgenaue Messapparaturen zur Bestimmung der Dichte und Schallgeschwindigkeit von Gasen und Flüssigkeiten sowie zur Bestimmung der Viskosität von Gasen betrieben. In allen Fällen handelt es sich bei den Apparaturen um komplexe, selbst aufgebaute Anlagen. In den meisten Fällen wurden die zugrunde liegenden Messverfahren am Lehrstuhl entwickelt.

 

Kombinierte Messung der Dichte und der Viskosität von fluiden Stoffen und Stoffgemischen

In einem aktuellen DFG-Projekt sollen (η, ρ, p, T, x)-Zustandsdaten von drei Stickstoff-Kohlendioxid-Gemischen und drei Methan-Ethan-Gemischen im Temperaturbereich von (253 bis 473) K bei Drücken bis zu 20 MPa gemessen werden. Mit einer Viskositäts-Dichte-Messanlage soll simultan zur Viskositätsmessung (erweiterte Unsicherheit, k = 2: 0,5%) auch die Dichte mit einer erweiterten Unsicherheit (k = 2) von 0,1% bestimmt werden. Parallel zu diesen Messungen soll im gleichen Temperaturbereich die Viskosität mit einer Viskositäts-Messanlage für geringe Gasdichten (bis 2,0 MPa) mit einer erweiterten Messunsicherheit (k = 2) von 0,3% ermittelt werden.

 

Schallgeschwindigkeits- und Dichtemessung von fluiden Stoffen und Stoffgemischen

Mit der zunächst autark betriebenen Schallgeschwindigkeitsmessanlage wurden bislang eine Reihe von Alkoholen (Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 1-Butanol, Cyclopentan, 2-Propanol, 2-Butanol, Isobutanol, 1,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, Ethandiol) in einem Temperaturbereich von (–20 bis 80) °C bei Drücken bis zu 30 MPa vermessen. Darüber hinaus wurden auch Schallgeschwindigkeiten in Benzol und schwerem Wasser (D2O) gemessen. Die dabei bis heute erreichte erweiterte Gesamtmessunsicherheit (k = 2) in der Schallgeschwindigkeit liegt zwischen (0,011 und 0,036)%. Die Schallgeschwindigkeitsmessanlage und die Ein-Senkkörper-Dichtemessanlage wurden zuletzt so modifiziert, dass Schallgeschwindigkeiten und Dichten von fluiden Stoffen und Stoffgemischen auch simultan gemessen werden können. Der Temperaturbereich für Dichtemessungen liegt zwischen (–25 und 200) °C. Insgesamt können Messungen bei Drücken bis zu 20 MPa erfolgen.

 

Genaue Messung der Dichte von flüssigen Gemischen bei kryogenen Temperaturen

Im Rahmen des EMRP-Projektes „Metrology for LNG“ kombiniert mit einem Forschungsprojekt der Groupe Europeen de Recherches Gaziers (GERG) wurde am Lehrstuhl für Thermodynamik eine Präzisionsmessanlage für die Bestimmung der Dichte von flüssigen Gemischen bei kryogenen Temperaturen aufgebaut. Mit dieser Anlage können Messungen in einem Temperaturbereich von (–180 bis 30) °C bei Drücken bis zu 12 MPa durchgeführt werden. Im aktuellen EMRP-Projekt „Metrology for LNG II“ wird die Dichtemessung an verflüssigten Erdgasen (LNG) fortgesetzt. Darüber hinaus werden zur Weiterentwicklung von Zustandsgleichungen für fluide Gemische gezielt binäre Stoffsysteme vermessen.

 

Messung der Dielektrizitätskonstanten von binären Gasgemischen zur Bestimmung von Taupunkten (ab 01.02.2019 an der TU Chemnitz, Professor Richter)

Taupunkte von reinen Gasen bzw. von Gasgemisches können aufgrund der Veränderung der dielektrischen Eigenschaften beim Erreichen der Phasengrenze vergleichsweise genau bestimmt werden. Dabei werden der Phasenübergang vom Gas zur Flüssigkeit und die entsprechenden Dielektrizitätskonstanten mit hoher Genauigkeit durch die Auswertung der Resonanzfrequenz eines Hohlraumresonators ermittelt. Messungen können mit einer speziellen Messanlage in einem Temperaturbereich von (–50 bis 100) °C bei Drücken bis zu 120 bar durchgeführt werden.

 

Emmy Noether Research Group (ab 01.02.2019 an der TU Chemnitz, Professor Richter)

Die von der DFG geförderte Emmy Noether Gruppe beschäftigt sich mit Entwicklung neuer experimenteller Methoden zur genauen Messung der Taudichten von fluiden Gemischen. Dies schließt die Quantifizierung von Sorptionseffekten ein, wodurch die Messunsicherheit ganz erheblich verringert werden kann. Mithilfe der experimentellen Ergebnisse werden neue theoretische Ansätze entwickelt, die erstmalig die fest etablierten Gebiete der thermodynamischen Stoffdatenmessung und der Oberflächenphänomene vereinen. Des Weiteren werden die gemessenen Daten verwendet, um vielparametrige empirische Fundamentalgleichungen anzupassen, wobei auch neue Ideen hinsichtlich der Anpassungsstrategie untersucht werden.

 

Kompetenzen aus früheren Projekten

Zwei-Senkkörper-Dichtemessanlage

pρT-Messergebnisse der Zwei-Senkkörper-Dichtemessanlage

Präzisionsdichtemessung nach dem Einsenkkörperverfahren

pρT-Messergebnisse der Ein-Senkkörper-Dichtemessanlage

Magnetschwebewaagen

Kritischer Punkt