{"id":4492,"date":"2022-02-17T11:01:33","date_gmt":"2022-02-17T10:01:33","guid":{"rendered":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/thermodynamik\/?page_id=4492"},"modified":"2022-02-28T11:55:50","modified_gmt":"2022-02-28T10:55:50","slug":"research-topics","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/thermodynamik\/en\/research-topics","title":{"rendered":"Research topics"},"content":{"rendered":"\n
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\"Naturumlaufverdampfer\"<\/p>\n

Pr\u00e4zisionsmessungen der Schallgeschwindigkeit in Fluiden unter hohem Druck<\/strong><\/p>\n


mehr lesen“ class=“out<\/h3><\/p>\n

(M.Sc. Tobias Dietl)<\/p>\n

Im Grenzfall kleiner Frequenzen und Amplituden ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem Fluid ausbreiten, eine thermodynamische Zustandsgr\u00f6\u00dfe. Da das Quadrat der Schallgeschwindigkeit die Ableitung des Drucks nach der Dichte bei konstanter Entropie ist, sind Schallgeschwindigkeitsdaten insbesondere im Fl\u00fcssigkeitsgebiet, wo viele Eigenschaften stark von der Dichte abh\u00e4ngen, wertvoll, um pr\u00e4zise Zustandsgleichungen aufzustellen. Daher wurde am Institut eine Apparatur entwickelt, mit der die Schallgeschwindigkeit in Fluiden im Temperaturbereich zwischen 240 und 420 K unter Dr\u00fccken von bis zu 100 MPa mit hoher Genauigkeit vermessen  werden kann.<\/p>\n

Das Messprinzip der Apparatur basiert auf einem Impuls-Echo Verfahren, das auf Muringer et al. zur\u00fcckgeht [Phys. Chem. Liq. 14, 273, 1985]. Die Schallgeschwindigkeitssonde befindet sich in einem Druckbeh\u00e4lter, der die Messfl\u00fcssigkeit aufnimmt. Ein piezoelektrischer Kristall mit einer Resonanzfrequenz von 8 MHz dient als Schallsender und -empf\u00e4nger. Er ist im Abstand von 20 mm bzw. 30 mm zwischen zwei Reflektoren angeordnet und wird mit 60-80 Sinusperioden angeregt. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich als die doppelte Differenz der beiden Abst\u00e4nde zwischen Kristall und Reflektoren dividiert durch die Differenz der Zeiten, die die ausgesendeten Signale ben\u00f6tigen, um diese Strecken zu durchlaufen. Zur Messung der Zeitdifferenz wurde ein von Kortbeek et al. [Rev. Sci. Instrum. 56, 1269, 1985] entwickeltes Phasenvergleichsverfahren adaptiert und modifiziert. Die Wegdifferenz wird durch Kalibiermessungen mit deionisiertem und entgastem Wasser ermittelt. Der Druckbeh\u00e4lter wird in einem Umlaufthermostaten thermostatisiert, mit dem die Temperatur innerhalb von 0,5 mK konstant gehalten werden kann. Die Temperatur wird in der Druckbeh\u00e4lterwand mit einem kalibrierten Pt25-Sensor unter Verwendung einer Pr\u00e4zisionswechselstrombr\u00fccke gemessen. Die Druckmessung erfolgt mit zwei Gaskolbenmanometern, die mit einem Differenzdruckindikator (Membranzelle) an die Messfl\u00fcssigkeit angekoppelt werden. Die erreichten Messunsicherheiten belaufen sich auf 3 mK f\u00fcr die Temperatur, 0,01 % f\u00fcr den Druck und 0,02 % f\u00fcr die Schallgeschwindigkeit.<\/p>\n

Bislang wurden die Fluide Propan, Propen und die K\u00e4ltemittel R227ea und R365mfc im Fl\u00fcssigkeitsgebiet und \u00fcberkritischen Zustandsgebiet vermessen. Au\u00dferdem wurde mit Messungen in komprimiertem Argon und Stickstoff aufgezeigt, dass mit der Apparatur auch Schallgeschwindigkeiten in komprimierten Gasen mit hoher Genauigkeit gemessen werden k\u00f6nnen. Die Daten f\u00fcr Argon und Stickstoff stimmen mit hochgenauen Literaturdaten, die mit dem in Gasen \u00fcblicherweise angewendeten Kugelresonatorverfahren gemessen wurden, im \u00dcberlappungsbereich der beiden Messverfahren innerhalb von 30 ppm \u00fcberein.<\/p>\n

Zu diesem Projekt gibt es auch zwei Poster, welche neben einer ausf\u00fchrlichen Projektbeschreibung auch eine kurze Darstellung der Messergebnisse f\u00fcr diverse Fluide pr\u00e4sentieren.<\/p>\n

\"Pr\u00e4zisionsmessung_2\"<\/p>\n


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Aufbau und Betrieb eines automatisierten Biegeschwingers f\u00fcr die Messung von Fl\u00fcssigkeitsdichten<\/strong><\/p>\n


„mehr lesen“ class=“out“<\/h3>
( Dipl.-Ing.<\/abbr> Michael Meschkat)<\/p>\n

F\u00fcr die Erstellung von Zustandsgleichungen f\u00fcr reine Fluide und Gemische werden genaue Messwerte der Dichte ben\u00f6tigt. An der Professur wird daher ein Dichtemessger\u00e4t der Firma Anton Paar nach dem Biegeschwingerprinzip f\u00fcr Messungen unter hohen Dr\u00fccken f\u00fcr den automatisierten Betrieb aufgebaut. Der Biegeschwinger arbeitet unter Dr\u00fccken von bis zu 100 MPa im Temperaturbereich zwischen -10 \u00b0C und +200 \u00b0C. Dar\u00fcber hinaus wird eine Infrastruktur f\u00fcr die Herstellung von Gemischen,  d. h. eine W\u00e4gevorrichtung und Beh\u00e4lter zur Aufbewahrung von Gemischen unter Druck, aufgebaut.<\/p>\n


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Aufbau und Betrieb eines Schwingdrahtviskosimeters mit simultaner Dichtemessung f\u00fcr Gase<\/strong><\/p>\n


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(M.Sc. Ulrike Kochan-Eilers)<\/p>\n

An der Professur f\u00fcr Thermodynamik wird derzeit ein Schwingdrahtviskosimeter mit kombinierter Dichtemessung zur Bestimmung der Viskosit\u00e4t und Dichte von reinen Gasen und Gasgemischen wieder aufgebaut. Das Viskosimeter wurde urspr\u00fcnglich in der Arbeitsgruppe von E. Vogel an der Universit\u00e4t Rostock entwickelt und dort \u00fcber viele Jahre f\u00fcr Messungen an reinen Gasen eingesetzt.
Zur Messung der Viskosit\u00e4t dient ein in Schwingungen versetzter d\u00fcnner Draht, aus dessen Resonanzfrequenz und D\u00e4mpfung die Viskosit\u00e4t des umgebenden Gases bestimmt werden kann. Die Dichtemessung erfolgt mit einem Ein-Senkk\u00f6rper-Verfahren nach dem Auftriebsprinzip von Archimedes, wobei eine Magnetschwebewaage der Firma Rubotherm aus Bochum eingesetzt wird. Das Instrument deckt den Temperaturbereich zwischen 273 K und 473 K unter Dr\u00fccken von bis zu 30 MPa ab. Die bisher in Rostock erreichten Messunsicherheiten belaufen sich auf 0,25 \u2013 0,3 % f\u00fcr die Viskosit\u00e4t und 0,1 % oder besser f\u00fcr die Dichte.<\/p>\n

Literatur:<\/p>\n

S. Herrmann, E. Hassel und E. Vogel: Viscosity and density of isobutane measured in wide ranges of temperature and pressure including the near-critical region. AIChE Journal 61, 3116-3137, 2015.

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Ab initio<\/em>-First-principles modeling of thermophysical properties of fluids<\/strong><\/p>\n


„mehr lesen“ class=“out“<\/h3>
(Dr. rer. nat. Robert Hellmann)<\/p>\n

First-principles modeling of thermophysical properties of fluids<\/p>\n

Thermophysical properties of fluids can today be determined very accurately from first principles (ab initio). A prerequisite for such calculations are pair potentials, which describe the interaction energy between two molecules as a function of their separation and mutual orientation. For calculations on dense gases and liquids, so-called nonadditive three-body potentials are additionally required. In our work group, interaction energies are computed by means of the supermolecular approach using standard quantum-chemical program packages such as CFOUR or ORCA. Such calculation have to be performed for a large number of interparticle separations and mutual orientations in order to obtain a complete description of the intermolecular interaction.<\/p>\n

In the next step, suitable mathematical functions are fitted to the calculated interaction energies. Using these potential functions, one can, for example, calculate the second, third, and higher virial coefficients employing statistical thermodynamics. Transport properties in low-density gases and gas mixtures are accessible from the pair potentials using the kinetic theory of gases, with the respective computer codes developed in our work group being unique. In future work, we intend to perform also molecular dynamics and Monte Carlo simulations. Today, empirical potential functions are still widely used in such simulations, which severely limits the achievable accuracy.<\/p>\n

Whenever possible, the calculated property values are compared with experimental data from our own group or from the literature in order to enable a mutual validation of theory and experiment. A great advantage of first-principles approaches over experiments is that a high accuracy can also be achieved at very low or very high temperatures and for toxic, corrosive, and explosive fluids and fluid mixtures. The experimental effort is often unjustifiably high in these cases.<\/p>\n

The work group operates a number of powerful computing servers for the first-principles calculations. In addition, the university\u2019s high performance computing facilities are used for parts of the calculations.<\/p>\n


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