Ilmenauer Zinnkanal
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsgroßgerät Ilmenauer Zinnkanal ist ein geschlossener Strömungskanal, der mit Flüssigzinn bei einer Temperatur bis zu 400°C und einer Durchflussmenge von bis zu 17,5 kg/s betrieben wird. Die turbulente Zinnströmung wird berührungsfrei durch eine elektromagnetische Pumpe angetrieben, die auf der Basis rotierender Permanentmagnete arbeitet. Aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigzinn werden durch die Relativbewegung zwischen Magnet und Zinnschmelze elektrische Wirbelströme induziert, welche in Rückwirkung mit dem Magnetfeld eine treibende Lorentzkraft in der Schmelze generieren, die in Richtung der Relativbewegung wirkt. Der Kanal ist prädestiniert für die experimentelle Modellierung von turbulenten Strömungstransportvorgängen in der Hochtemperatur-Metallurgie und dient zu wissenschaftlichen Grundlagenuntersuchungen in den Ingenieursdisziplinen Thermofluiddynamik und Magnetofluiddynamik. Der Kanal verfügt über eine horizontale Messstrecke, in der anwendungsspezifisch sowohl geschlossene Kanalströmungen wie auch offene Gerinneströmungen mit freier Oberfläche eingestellt werden können. In einer weiteren vertikalen Messstrecke können Tauchrohrströmungen untersucht werden, die beispielsweise beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl auftreten. Von besonderem Interesse ist die methodische Weiterentwicklung der berührungsfreien Strömungsmesstechnik der Lorentzkraft-Anemometrie, die an der TU Ilmenau im Rahmen des DFG-Graduiertenkollegs „Elektromagnetische Strömungsmessung und Wirbelstromprüfung mittels Lorentzkraft“ erforscht wird. Der Ilmenauer Zinnkanal liefert hier einen wichtigen Beitrag zur Erprobung der Messtechnik bei höheren Temperaturen und in einem für metallurgische Anwendungen typischen Kennzahlenbereich (Reynolds-Zahl Re = 2 ⋅ 10^5, Hartmann-Zahl Ha = 1000, Interaktionsparameter N = 5, Nusselt-Zahl Nu = 15), der bisher in Modellexperimenten nicht zugänglich war. Die Messresultate können zudem perspektivisch zur Validierung von numerischen Rechnungen zu turbulenten magnetohydrodynamischen Flüssigmetallströmungen genutzt werden. Ein weiteres wichtiges potenzielles Einsatzgebiet ist es, mittels des Kanals die Funktionstüchtigkeit der Lorentzkraft-Anemometrie bei turbulenten Flüssigmetall-Zweiphasenströmungen zu untersuchen. Solche Strömungen sind in der metallurgischen Anwendung von Wichtigkeit, da in der Stahlherstellung Argonblasen eingebracht werden, um das Zusetzen (clogging) von Tauchrohren zu verhindern sowie die Schmelze zu homogenisieren und zu läutern. Als künftige weitere Einsatzfelder sind zu nennen, dass der Kanal zur Weiterentwicklung auch anderer Strömungsmesstechniken wie etwa der Ultraschall-Doppler-Velozimetrie, Temperatursignal-Laufzeitmessung und Venturi-Düsenverfahren genutzt wird. Des Weiteren ist geplant, mittels des Kanals Grundlagenuntersuchungen zum konvektiven Wärmetransport in turbulenten Flüssigmetallströmungen durchzuführen. Stand heute, drei Jahre nach Inbetriebnahme des Kanals, muss jedoch auch erwähnt werden, dass sich die konkrete dauerhafte wissenschaftliche Nutzung des Kanals aufgrund zahlreicher technischer Probleme deutlich verzögert. Bisher konnten im Ilmenauer Zinnkanal lediglich Testbetriebe und Probemessungen und kleinere wissenschaftliche Messungen realisiert werden. Des Weiteren wird der Kanal in der Lehre zur studentischen Ausbildung als Praktikumsversuch eingesetzt. Die Verzögerung in der wissenschaftlichen Dauernutzung ist darauf zurückzuführen, dass im Kanal verbaute Teile von Zulieferern nicht vorab für den Einsatz in Flüssigzinn erprobt werden konnten. Jedoch wurden im Zuge der gezielten Vorbereitung des wissenschaftlichen Dauerbetriebs des Ilmenauer Zinnkanals zahlreiche Modellexperimente mit der Modellschmelze GaInSn durchgeführt. Diese Arbeiten führten zu etlichen Publikationen in wissenschaftlichen Fachorganen und in den Proceedings von internationalen wissenschaftlichen Fachkonferenzen sowie zu einer Patentanmeldung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Flow rate measurement in aggressive conductive fluids. EPJ Web of Conferences 67, 02022 (2014)
N. Dubovikova, Y. Kolesnikov, Ch. Karcher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/epjconf/20146702022) - Experimental study of an electromagnetic flow meter for liquid metals based on torque measurement during pumping process. Measurement science and technology 26, 2015, 115304
N. Dubovikova, Y. Kolesnikov, Ch. Karcher
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/26/11/115304) - Contactless flow measurement in liquid metal using electromagnetic time-of-flight method. Measurement science and technology 27, 2016, 055102
N. Dubovikova, Ch. Resagk, Ch. Karcher, Y. Kolesnikov
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0957-0233/27/5/055102) - Control of heat transfer in engine coolers by Lorentz forces. In: Proceedings of EUROTHERM-2016, IOP Publishing 2016, 032050, 8 pages
Ch. Karcher, J. Kühndel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1742-6596/745/3/032050) - Experimental study on bubble rising in liquid GaInSn using Local Lorentz Force Velocimetry. In: Proceedings of the 10th PAMIR International Conference on Fundamental and Applied MHD PAMIR Centre (2016), pp. 243-246
Z. Lyu, Ch. Karcher
- Local Lorentz force flowmeter at a continuous caster model using a new generation multicomponent force and torque sensor. Measurement science and technology 27, 2016, 065302
D. Hernandez, J. Schleichert, Ch. Karcher, Th. Fröhlich, Th. Wondrak, K. Timmel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0957-0233/27/6/065302) - Non-contact electromagnetic flow measurement in liquid metal two-phase flow using Lorentz force velocimetry. Magnetohydrodynamics 53 (2017), No. 1, pp. 67-78
Z. Lyu, Ch. Karcher
- Numerical calibration of a multicomponent local Lorentz force flowmeter. Magnetohydrodynamics 53 (2017), No. 2, pp. 233–243
D. Hernandez, Th. Boeck, Ch. Karcher, Th. Wondrak
- Numerical Modelling of Lorentz Force Velocimetry Including Bubbles in Liquid Metal. In: Proceedings of XVIII International UIE-Congress Electrotechnologies for Material Processing, 2017, pp. 368-373
N. Tran, U. Lüdtke
