DE3514437C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kryo-Windkanal mit einer geschlossenen Rohrleitung zur Führung des Strömungs­ mediums, insbesondere Stickstoff, einem Kompressor als Antrieb für das Strömungsmedium und einer der Kühlung dienenden Zufuhr für flüssiges Strömungsmedium sowie einer Abblaseeinrichtung für gasförmiges Strömungsmedium sowie einer Meßstrecke.

Ein solcher Kryo-Windkanal ist z. B. aus der Druckschrift DFVLR Versuchsanlagen, Köln 1983, Blatt B 3.1-4 "Kryo-Windkanal" bekannt.

Die Strömungseigenschaften von Flugzeugen und anderen Gegen­ ständen wurden in Windkanälen an verkleinerten Modellen unter­ sucht. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, müssen die Ähnlichkeitsgesetze erfüllt sein. Das bedeutet, daß die für die Strömung charakteristischen Parameter

Reynoldszahl (für die Reibungseffekte)
Machzahl (für die Kompressibilitätseffekte)

am verkleinerten Modell im Windkanal und bei dem Gegenstand in Originalgröße gleich sein müssen.

Mit Windkanälen, die bei Umgebungstemperatur arbeiten, ist es aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nicht möglich, die erforderlichen Reynoldzahlen zu erreichen. Nur durch Absenken der Arbeitstemperatur im Windkanal (Kryo-Windkanal) ist es möglich, die Reynoldszahl in ausreichendem Maße zu steigern.

Kryo-Windkanäle der eingangs beschriebenen Art sind auch aus den Druckschriften DFVLR - Versuchsanlagen für Luft­ fahrtforschung und Raumfahrttechnologie Köln 1981, Blatt B 3.1-4 "Kryo-Kanal Köln" und Aeronautical Journal, Nov. 1984, S. 379-394, s. insb. die Figuren 15 und 17, bekannt.

Die erforderliche Kühlung erfolgt bei den Windkanälen der eingangs genannten Art durch Einspritzen von flüssigem Stickstoff in den Kreislauf. Dieser Stickstoff ist gleichzeitig im Strö­ mungsmedium im Windkanal. Man erreicht auf diese Weise Arbeits­ temperaturen im Windkanal bis herab zu 80°K. Zum Ausgleich der Massenbilanz muß die gleiche Menge Stickstoff im gas­ förmigen Zustand abgeblasen werden.

Nachteilig ist beim Betrieb dieser bekannten Windkanäle vor allem der sehr hohe Stickstoffverbrauch. Das führt zu Be­ triebskosten, die um ein Vielfaches höher sind als bei einem Windkanal, der mit gleichen Abmessungen bei Umgebungstemperatur arbeitet. Außerdem treten erhebliche Kosten für Anlieferung, Bevorratung und Einspritzung des flüssigen Stickstoffes auf. Zusätzliche Probleme ergeben sich dadurch, daß aus dem Wind­ kanalkreislauf die gleiche Menge kaltes (noch arbeitsfähiges) Stickstoffgas abgeblasen werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kryo-Windkanal der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß bei seinem Betrieb ein wesentlich geringerer Energieverbrauch und ein reduzierter Strömungsmittelverbrauch auftritt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die ge­ schlossene Rohrleitung aus einer, die Meßstrecke umfassenden Versuchsschleife und einer bei Umgebungstemperaturen arbeitenden Kompressorschleife besteht, und daß das Ende der Versuchsschleife mit dem Anfang der Kompressorschleife sowie das Ende der Kompressor­ schleife mit dem Anfang der Versuchsschleife über einen Wärme­ tauscher verbunden ist. Die Erfindung löst sich vom Stand der Technik, in welchem sowohl bei kontinuierlichen Windkanälen als auch bei intermittierend betriebenen Windkanälen ringförmige, also in Form einer Null angeordnete Rohrleitungen Verwendung finden. Es wird eine Versuchsschleife und eine Kompressorschleife gebildet, wo­ bei der Vorteil auftritt, daß in den beiden Schleifen mit un­ terschiedlichen Temperaturen gearbeitet werden kann. In der Versuchsschleife ist die tiefe Temperatur erforderlich, wobei diese Versuchsschleife von der entsprechenden Isolie­ rung umgeben ist. In der Versuchsschleife kann somit eine beliebige Temperatur herrschen, die von den Versuchsanfor­ derungen bestimmt wird. Im stationären Betrieb hat das Strömungsmedium, also insbesondere das Stickstoffgas, in der Kompressorschleife eine für den Betrieb des Kompres­ sors und die Kühlung des Strömungsmediums günstige Tempera­ tur nahe der Umgebungstemperatur, so daß die Kompressor­ schleife ohne aufwendige Wärmeisolierung gebaut und betrie­ ben wird, wobei gleichzeitig der weitere Vorteil auftritt, daß die einzelnen Aggregate in dieser Kompressorschleife für Montage-Wartungs- und Reparaturarbeiten leicht zugänglich sind.

Als Wärmetauscher ist ein Gegenstromwärmetauscher vorgesehen. In einem solchen Gegenstromwärmetauscher wird das Strömungs­ medium einerseits um ungefähr die gleiche Temperaturdifferenz abgekühlt, wie der entgegengesetzte Strom des Strömungsmediums erwärmt wird. Dies gilt, weil die beiden Massenströme im Gegen­ stromwärmetauscher etwa gleich sind und die Enthalpie des Gases nur von der Temperatur abhängt, solange sich das Strö­ mungsmedium angenähert wie ein ideales Gas verhält.

Praktisch wird die Temperatur in der Versuchsschleife aller­ dings aus folgenden Gründen nicht ganz konstant bleiben:
Realgaseffekte (Abhängigkeit der Enthalpie vom Druck)
Endliche Austauschfläche des Gegenstromwärmetauschers (Tem­ peraturdifferenz zwischen den beiden Strömen des Strömungs­ mediums durch den Gegenstromwärmetauscher)
Wärmedurchlässigkeit der Isolation (Einströmen von Wärme aus der Umgebung).

Die Temperatur in der Versuchsschleife muß deshalb durch Einspritzen von geringen Mengen flüssigen Strömungsmediums, insbesondere Stickstoff, konstant gehalten werden.

Vor Versuchsbeginn muß die Temperatur in der Versuchsschleife durch Einspritzen von flüssigem Strömungsmedium auf den ge­ wünschten Wert eingestellt werden.

Der erfindungsgemäße Kryo-Windkanal weist eine Reihe von weiteren Vorteilen auf:
Der Kompressor kann bei Umgebungstemperaturen arbeiten, also bei einer Temperatur, für die er optimal ausgelegt werden kann. Die in den Aggregaten und der Rohrleitung der Kompres­ sorschleife eingesetzten Werkstoffe, Bauelemente, Toleranzen usw. müssen nicht für kryogenen Betrieb ausgelegt werden. Die Kompressorschleife benötigt keine Wärmeisolierung. Die Versuchsschleife hingegen, die zweckmäßig eine Wärmeisolie­ rung aufweist, kann nicht nur bei niedrigen Temperaturen, sondern auch bei Umgebungstemperatur und bei jeder Zwischen­ temperatur zwischen der Auslegungstemperatur der Anlage und der Umgebungstemperatur wirtschaftlich betrieben werden.

Wenn Versuche bei Umgebungstemperaturen durchgeführt werden sollen, kann auf das Einspritzen von flüssigem Strömungsmedium verzichtet werden, und die anfallende Wärme allein von einem Kühler, insb. Wasserkühler, abgeführt werden, der in der Kompressorschleife, dem Kompressor nachgeschaltet, vorgesehen ist. Der Kühler bietet bei kryogenem Betrieb des Windkanals den weiteren Vorteil, daß die dem Kompressor zugeführte Energie mittels eines Kühlers (Flußkühlung, Kühltürme, Trockenkühlung) in konventioneller Weise direkt an die Umgebung abgeführt werden kann. Durch die Verwendung des Wärmetauschers und die Anordnung eines zusätzlichen Kühlers ergibt sich der besonders ge­ wichtige Vorteil, daß mit der Erfindung etwa bis zu 90% der bisher benötigten Menge an flüssigem Strömungsmittel, insb. Stickstoff, eingespart werden kann. Wegen dieses geringen Stick­ stoffverbrauchs unterliegt die Dauer eines Versuchs an sich auch keinen speziellen Einschränkungen. Damit entfällt auch eine aufwendige Regeltechnik, die beim Stand der Technik mit dem entsprechend hohen Stickstoffverbrauch erforderlich ist.

In der Kompressorschleife vor dem Kompressor kann die Abblase­ einrichtung angeordnet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Wind­ kanal muß ja nur noch eine vergleichsweise geringe Menge Strömungsmedium in gasförmiger Form abgeblasen werde, wodurch die Umweltbelastung erheblich vermindert wird.

Die Zufuhr für flüssiges Strömungsmedium kann in der Ver­ suchsschleife vorgesehen sein. Es versteht sich, daß hier eine vergleichsweise geringe Menge flüssigen Strömungsmediums einge­ spritzt werden muß, und dies zudem nur dann, wenn bei tiefen Temperaturen gearbeitet wird.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele weiter beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipsskizze des Kryo-Windkanals,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kryo- Windkanals für kontinuierlichen Betrieb, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kryo- Windkanals für intermittierenden Betrieb.

Der in Fig. 1 anhand der Prinzipschaltung verdeutlichte Kryo-Windkanal 1 weist eine entsprechende Rohrleitung auf, in welcher die einzelnen Aggregate angeordnet sind. Die Rohrleitung ist in Form einer 8 angeordnet, so daß eine Versuchsschleife 2 und eine Kompressorschleife 3 gebildet sind, in deren Schnittpunkt ein Wärmetauscher 4, der ins­ besondere als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, an­ geordnet ist. In der Versuchsschleife 2 ist eine Meßstrecke 5 vorgesehen, in deren Rohrleitungsabschnitt das zu unter­ suchende Modell angeordnet ist und die entsprechenden Meß­ einrichtungen untergebracht werden. Die Versuchsschleife 2 einschließlich der Meßstrecke 5 sowie der kalte Teil des Wärmetauschers 4 sind von einer Isolierung 6 umgeben.

In der Kompressorschleife 3 ist ein Kompressor 7, sowie diesem nachgeschaltet ein Kühler 8 angeordnet, der z. B. als Wasserkühler ausgebildet sein kann. Die Kompressor­ schleife 3 arbeitet etwa unter Umgebungsbedingungen, so daß die über den Kompressor 7 eingebrachte Wärmemenge über den Kühler 8 abgeschieden werden kann.

Fig. 2 verdeutlicht schematisch einen kontinuierlich zu betreibenden Kryo-Windkanal. In der Versuchsschleife ist die Rohrleitung dem Wärmetauscher 4 nachgeschaltet mit einer Beruhigungskammer 9 ausgestattet, die zu der Meßstrec­ ke 5 führt. Das kalte Strömungsmedium bewegt sich in Rich­ tung des Pfeiles 10. Nach der Meßstrecke 5 ist eine Ein­ spritzeinrichtung 11 für flüssigen Stickstoff vorgesehen. Die Kompressorschleife 3 wird in Richtung der Pfeile 12 durchströmt, so daß im Wärmetauscher 4 das kalte Strömungs­ medium der Versuchsschleife 2 dem in den Wärmetauscher 4 einströmenden, vergleichsweise warmen Strömungsmedium ge­ mäß Pfeil 12 seine Wärme entzieht. Hierdurch arbeitet der Kompressor 7 etwa unter Umgebungstemperaturen, während in der Meßstrecke 5 die gewünschten tiefen Temperaturen auf­ treten. Durch diesen Kreislauf mit seinen zwei Teilkreis­ läufen wird der Verbrauch an flüssigem Strömungsmedium, ins­ besondere Stickstoff, ganz erheblich reduziert. Die geringe Stickstoffmenge, die für die Erreichung der tiefen Tempera­ turen erforderlich ist und die in der Einspritzeinrichtung 11 eingespritzt wird, wird über eine Abblaseeinrichtung 13 in Gasform etwa bei Umgebungstemperaturen abgeführt.

Fig. 3 verdeutlicht einen Kryo-Windkanal am Beispiel eines Rohrwindkanals für intermittierenden Betrieb. Auch hier ist die Anordnung in Form der 8 und die Bildung der Versuchs­ schleife 2 und der Kompressorschleife 3 ersichtlich. Zu der besonderen Ausbildung der Versuchsschleife 2 gehört hier noch ein Speicherrohr 14 sowie ein Auffangbehälter 15, dem ein schnell öffnendes Ventil 16 vorgeschaltet ist.

Die Arbeitsweise dieses Windkanals ergibt sich für den Fach­ mann aus der Zeichnung in Verbindung mit den vorangehenden Ausführungen.

• Bezugszeichenliste  1 = Kryo-Windkanal
   2 = Versuchsschleife
   3 = Kompressorschleife
   4 = Wärmetauscher
   5 = Meßstrecke
   6 = Isolierung
   7 = Kompressor
   8 = Kühler
   9 = Beruhigungskammer
  10 = Pfeil
  11 = Einspritzeinrichtung
  12 = Pfeil
  13 = Abblaseeinrichtung
  14 = Speicherrohr
  15 = Auffangbehälter
  16 = Ventil

Claims (4)

1. Kryo-Windkanal mit einer geschlossenen Rohrleitung zur Führung des Strömungsmediums, insbesondere Stickstoff, einem Kompressor als Antrieb für das Strömungsmedium und einer der Kühlung dienenden Zufuhr für flüssiges Strö­ mungsmedium sowie einer Abblaseeinrichtung für gasförmiges Strömungsmedium sowie einer Meßstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Rohrleitung aus einer, die Meßstrecke umfassenden Versuchsschleife (2) und einer bei Umgebungs­ temperaturen arbeitenden Kompressorschleife (3) besteht, und daß das Ende der Versuchsschleife mit dem Anfang der Kom­ pressorschleife (3) sowie das Ende der Kompressorschleife (3) mit dem Anfang der Versuchsschleife (2) über einen Wärme­ tauscher (4) verbunden ist.

2. Kryo-Windkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kompressorschleife (3) ein Kühler (8), insbesondere ein Wasserkühler, vorgesehen ist, der dem Kompressor (7) nachgeschaltet ist.

3. Kryo-Windkanal nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kompressorschleife (3) vor dem Kompressor (7) die Abblaseeinrichtung (13) angeordnet ist.

4. Kryo-Windkanal nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr (11) für flüssiges Strömungsmedium in der Versuchsschleife (2) vorgesehen ist.