DE2722151A1

DE2722151A1 - Geschaeumter kunststoffkoerper und dessen verwendung

Info

Publication number: DE2722151A1
Application number: DE19772722151
Authority: DE
Inventors: Volkmar Delitzsch; Dieter Dr Schmidt
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: SCHMIDT, DIETER, DR., 3400 GOETTINGEN, DE
Priority date: 1977-05-16
Filing date: 1977-05-16
Publication date: 1978-11-23
Also published as: US4264330A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

UCH 8 MÜNCHEN 86, DEN

_GI 420 POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT

ZUR FÖRDERUNG DER WISSENSCHAFTEN E.V. Bunsenstraße 10, 3400 Göttingen

Geschäumter Kunststoffkörper und dessen Verwendung

Die Erfindung betrifft einen in strömenden Medien schwebefähigen geschäumten Kunststoffkörper sowie dessen Verwendung zur Sichtbarmachung von Strömungen in Flüssigkeiten und Gasen.

Im Bereich der experimentellen Naturwissenschaften, der Medizin und der Technik werden häufig Markierungs- oder "Tracer"-Methoden angewandt, wenn festgestellt werden soll, welchen Weg bestimmte Substanzen in dem jeweils betrachteten System nehmen. In der Strömungsphysik spielen insbesondere solche Methoden eine Rolle, die mittels optischer Beobachtung einen direkten Einblick in das Strömungsfeld ermöglichen und so das Verständnis für strömungsphysikalische Vorgänge erleichtern. So liefert beispielsweise die Sichtbarmachung von Strömungsstrukturen, wie sie in

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durchströmten Kanälen oder hinter umströmten Körpern auftreten, wichtige Aufschlüsse über die Mechanismen, die der Entstehung dieser Strukturen und ihrer weiteren Entwicklung zugrunde liegen.

Eine Hauptforderung, die jede Strömungsmeßmethode erfüllen sollte, besteht darin, daß der Meßvorgang die zu untersuchende Strömung nicht stören darf. Aus diesem Grunde bedient man sich vor allem bei besonders störungsempfindlichen Strömungen vorzugsweise solcher Verfahren, bei denen der Strömungsverlauf mittels individuell identifizierbarer Teilchen sichtbar gemacht werden kann. Solche Markierungsteilchen können Flüssigkeitstropfen, Feststoffteilchen oder Gasbläschen sein.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise von E.C. Roberson in Report of the National Gasturbine Establishment No. R. 181 (1955) beschrieben worden. Dabei werden zur Sichtbarmachung von Strömungsverläufen in Wasser undurchsichtige Polystyrolkügelchen mit einer dem strömenden Medium möglichst exakt angeglichenen Dichte verwendet. Um das Verhältnis der Dichten der als Markierungsteilchen verwendeten Polystyrolkügelchen und des strömenden Mediums möglichst nahe an 1 herankommen zu lassen, wird dem Wasser bei diesem Verfahren Salz zugegeben.

Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß sich die Bedingungen für eine möglichst exakte Wiedergabe der tatsächlichen Strömungsverhältnisse einerseits und die Beobachtbarkeit mittels üblicher physikalischer Meßmethoden andererseits gegenseitig ausschließen. Es zeigte sich nämlich, daß bei gegebenem Verhältnis der Dichten von Markierungsteilchen und strömendem Medium die Abweichung der Teilchenbahnen von den Bahnen der sie umgebenden Strömungselemente infolge der Trägheit mit der Größe der Markierungsteilchen zunimmt. Aus Gründen einer möglichst

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genauen Wiedergabe der tatsächlichen hydrodynamischen Verhältnisse sollten also die Markierungsteilchen im Verhältnis zur Modell- und Kanalgröße so klein wie möglich sein. Andererseits lassen sich aber die Markierungsteilchen unterhalb einer gewissen Größe auf optischem, beispielsweise photographischem , Wege nicht mehr einwandfrei verfolgen. Aus Gründen einer möglichst guten Beobachtbarkeit sollten also die Markierungsteilchen so groß wie möglich sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Markierungsteilchen für die Beobachtung und Sichtbarmachung von Strömungsverläufen zu schaffen, die die Strömung weder verändern noch stören und daher ein genaues Abbild des tatsächlichen Strömungsverlaufes zu liefern imstande sind, die sich aber gleichzeitig mittels üblicher physikalischer Methoden auf ihrem Weg in der Strömung einwandfrei verfolgen und beobachten lassen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen geschäumten Kunststoffkörper der eingangs genannten Gattung gelöst, der durch einen Gehalt an einer Markierungssubstanz gekennzeichnet ist.

Als Gerüstsubstanz für den geschäumten Kunststoffkörper und damit als Träger für die von außen beobachtbare Markierungssubstanz können Polyurethane, beispielsweise aus gleichen Teilen Polyolen oder Polyäthern und Isocyanat, Polyesterharze in Verbindung mit geschäumten Leichtfüllstoffen, beispielsweise mit Mikrohohlkugeln aus Vinylidenchlorid- Acrylnitril-Copolymerisat, oder Silikonkautschuk und vorzugsweise Polystyrol verwendet werden.

Der Gehalt an Markierungssubstanz in dem geschäumten Kunststoffkörper kann innerhalb weiter Grenzen schwanken; er beträgt vorzugsweise 2 bis 80 Gew.-%. Die Markierungssubstanz ist vorzugsweise in den Kunststoffkörper eingebettet; sie wird hierzu schon bei der

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Herstellung des geschäumten Kunststoffkörpers dem als Gerüstsubstanz verwendeten Kunststoff beigemischt. Die Markierungssubstanz kann aber auch in geeigneter Weise an der Oberfläche des Kunststoffkörpers fixiert, z. B. angeklebt werden._

Alle genannten Kunststoffe werden nach bekannten Verfahren geschäumt, wobei die Menge des in dem Kunststoffkörper eingeschlossenen Gases so gewählt wird, daß die mittlere Dichte des Körpers möglichst genau derjenigen des strömenden Mediums entspricht. Nur bei einem Dichteverhältnis nahe 1 bleiben die tatsächlichen Strömungsverhältnisse ungestört.

Als Markierungssubstanz kann der erfindungsgemäße Kunststoffkörper sowohl Feststoffteilchen als auch Flüssigkeitströpfchen enthalten. Voraussetzung ist nur, daß sich die Markierungssubstanz mittels physikalischer Methoden "beobachten", d.h. durch Messung verfolgen läßt. Diese Voraussetzung erfüllen beispielsweise radioaktive Substanzen und durch Einstrahlung äußerer Energie aktivierbare Verbindungen. Die erfindungsgemäßen Kunststoff körper enthalten vorzugsweise phosphoreszierende Leuchtkristalle oder radioaktive Verbindungen als Markierungssubstanzen. Geeignete phosphoreszierende Leuchtkristalle bestehen aus mit Kupfer dotiertem Zinksulfid, das eine Nachleuchtdauer von etwa 20 Stunden besitzt. Unter der Nachleuchtdauer wird dabei die Zeit verstanden, naph der ein durch Einstrahlung äußerer Energie angeregtes Leuchten im abgedunkelten Raum mit angepaßtem Auge gerade noch wahrgenommen werden kann.

Als flüssige Markierungssubstanzen können photochromatische Substanzen verwendet werden, die sich unter der Einwirkung von Licht- oder Wärmeenergie verfärben. Beispielsweise kann hierzu in Äthylalkohol gelöstes 2-(2',4 '-Dinitrobenzyl)-pyridin verwendet werden, das bei Anregung durch energiereiche Strahlung, z.B. UV-Licht, innerhalb von weniger als 3 ,us einen Farbumschlag von farblos nach blau erfährt und sich bei Zimmertemperatur innerhalb einiger ms nach Beendigung der Anregung zurückbildet.

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Andere geeignete photochromatische Verbindungen sind Spiropyranderivate, beispielsweise 2,2'-Spiro/2,2'H7-6-nitrochrom-3-en-N,3', 3'-trimethylindolin, das sich, in Äthanol gelöst, bei Anregung durch 5 UV-Impulse von jeweils 0,2 mWs Energie und 10 na Dauer reversibel blau verfärbt.

Die erfindungsgemäßen Kunststoffkörper werden vorzugsweise in Form kleiner Kügelchen oder annähernd kugelförmiger Teilchen mit einem Durchmesser von< 0,5 mm verwendet.

Die erfindungsgemäßen Kunststoff körper besitzen den Vorteil, daß sie unabhängig von der Dichte der in ihnen enthaltenen Markierungssubstanz durch Variation des Luftgehaltes, der durch geeignete Führung des Schäumvorganges beliebig eingestellt werden kann, an die Dichte des zu untersuchenden strömenden Mediums genau angepaßt werden können. Auch wenn die vorzugsweise in Kugelform verwendeten Kunststoffkörper sehr kleine Durchmesser haben, um den tatsächlichen Strömungsverlauf nicht selbst zu verfälschen, ist ein einwandfreies Verfolgen der Teilchen aufgrund der in ihnen enthaltenen ' radioaktiven oder lumineszierenden oder photochromatischen Markierungssubstanz mittels einfacher physikalischer Meßmethoden möglich. Die Beobachtung der erfindungsgemäßen Schwebeteilchen kann beispielsweise durch Anregung von in ihnen enthaltenem, mit Kupfer dotiertem Zinksulfid durch UV-Laserimpulse erfolgen, wobei die Bahnen der angeregten Tracer bzw. die Verlagerung der von den Tracern markierten Linien vorzugsweise mit einer elektronischen Kamera zeitlich verfolgt werden können.

Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

90 g einer handelsüblichen, einen aliphatischen Kohlenwasserstoff als Treibmittel enthaltenden Polystyrollösung (Hostyren N 7000^ werden mit 10 g eines handelsüblichen Cu-dotierten Zink-

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sulfids homogen vermischt und nach bekannten Verfahren mit Hilfe von Wasserdampf zu einem Material mit einer mittleren Dichte von 1 g/cm geschäumt. Der vollständig ausgehärtete Schaumstoff wurde unter flüssigem Stickstoff zermahlen und durch Sieben klassiert. Diejenigen Teilchen, die einen Durchmesser <0,5 mm aufweisen, wurden in Wasser suspendiert,und der Suspension wurde so lange Salz zugegeben, bis sich die Dichte der Flüssigkeit der mittleren Dichte der meisten dieser Teilchen angeglichen hatte.Die optimale Einstellung wurde dadurch angezeigt, daß sich etwa ebenso viele zu leichte Teilchen an der Oberfläche wie sich zu schwere Teilchen am Boden ansammelten. Die in der Mitte verbleibenden schwebenden Teilchen wurden langsam und sorgfältig abgesaugt und einzeln einem vorgegebenen Volumen der als Strömungsmedium verwendeten Flüssigkeit, nämlich Wasser mit einem Zusatz von Salz in gleicher Konzentration wie vorher, zugefügt. Die Teilchenkonzentration der Versuchsflüssigkeit betrug etwa 1 Teilchen/10 cm³. Es zeigte sich, daß die Teilchen, die sich einmal als schwebefähig erwiesen hatten, diese Eigenschaft über sehr lange Zeit hinweg unverändert beibehielten.

Diese die phosphoreszenzfähigen Schwebeteilchen enthaltende Suspension wurde nun in ein zylindrisches Gefäß 1 (vgl. die beigefügte Zeichnung) aus UV-durchlässigem Plexiglas gefüllt, welches mittels einer Zentrierungsvorrichtung konzentrisch auf einem Drehteller 2 befestigt ist. Die Achse des Drehtellers 2 ist über eine Schlauchkupplung mit der Achse eines Schrittmotors 3 verbunden, damit keine Resonanzschwingungen auf den flüssigkeitsgefüllten Zylinder 1 übertragen werden. Ferner ist das Chassis des Motors 3 zur Unterdrückung von Körperschallübertragungen in die Meßvorrichtung auf Schwingmetallpuffern montiert. Eine Konvexlinse 4 (Brennweite 600 mm) befindet sich unmittelbar vor der Austrittsöffnung eines auf einer optischen Bank befindlichen UV-Lasers 5 und erzeugt in einem Abstand von

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ca. 60 cm einen nahezu parallel gebündelten Strahl 6 (Durchmesser 4 1 "im) / der diametral in der Zylinderquerschnittsebene auf halber Höhe des Zylinders 1 verläuft. Ein darüber angeordneter elektronischer Bildverstärker 7 beobachtet die durch Rotation des Drehtellers 2 im Zylinder 1 verursachte Strömung in dieser Ebene. Eine elektronische Kamera 8 erfaßt das auf der Bildverstärkerkathode entworfene Bild. Der UV-Impulslaser 5 arbeitet auf der Wellenlänge von 337,1 nm mit einer maximalen Repetitionsfrequenz der Lichtimpulse von 100 Hz, einer Energie von 0,2 mWs/lmpuls und einer Impulslänge von 10 ns. Die zur Fokussierung des Laserstrahls verwendete Konvexlinse 4 aus Spektrasil-Glas hat bei 337,1 nm und 5 mm Schichtdicke eine Durchlässigkeit von £9 X. Bei kontinuierlichem Betrieb der elektronischen Kamera 8 und des Lasers 5 (40 Hz Bildfolge-Frequenz, lOO Hz Blitzfolge-Frequenz) konnte die erzeugte Strömung auf dem Bildschirm eines Sichtgerätes sichtbar gemacht und festgehalten werden.

Die erfindungsgemäßen Kunststoffkörper können somit vorteilhaft zur Sichtbarmachung von Strömungen in Flüssigkeiten und Gasen durch Vermessung des von den in das strömende Medium eingebrachten Kunststoffkörpern zurückgelegten Weges mittels üblicher physikalischer Methoden verwendet werden.

In analoger Weise können geschäumte Kunststoffkörper hergestellt werden, die anstelle einer Markierungssubstanz andere feste oder flüssige "aktive" Teilchen enthalten, sei es auf ihrer Oberfläche oder sei es über den gesamten Querschnitt verteilt. Beispielsweise können anstelle einer Markierungssubstanz katalytisch wirksame Feststoffteilchen verwendet werden; solche, einen Katalysator enthaltende geschäumte Kunststoffkörper können ebenfalls durch geeignete Einstellung des Luftanteils beim Schäumen auf die Dichte eines Reaktionsmediums eingestellt und in quasi homogener Verteilung in Flüssigkeiten oder Gasen suspendiert werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.] In strömenden Medien schwebefähiger geschäumter Kunststoffkörper für die Beobachtung und Vermessung von Strömungen, gekennzeichnet durch einen Gehalt an einer Markierungssubstanz.

2. Kunststoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus geschäumtem Polystyrol oder Polyurethan als Träger für die Markierungssubstanz hergestellt ist.

3. Kunststoffkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er die Markierungssubstanz in Form kristalliner Feststoffteilchen enthält.

4. Kunststoffkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als Markierungssubstanz eine optisch aktivierbare Substanz enthält.

5. Kunststoffkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine lumineszierende Markierungssubstanz enthält.

6. Kunststoffkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er als Markierungssubstanz mit Kupfer dotiertes Zinksulfid enthält.

7. Kunststoffkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als Markierungssubstanz eine radioaktive Substanz enthält.

8. Kunststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens annähernd kugelförmig ist.

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ORIGINAL INSPECTED

9. Verwendung der schwebefähigen Kunststoffkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Sichtbarmachung von Strömungen in Flüssigkeiten und Gasen durch Vermessung des von den in das strömende Medium eingebrachten Kunststoffkörpern zurückgelegten Weges mittels üblicher physikalischer Methoden.

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