Forschen mit Hochdruck
Neue Anlage untersucht komplexe Prozesse der Wärmeübertragung.
Komplexe Prozesse der Wärmeübertragung detailliert untersuchen, auch unter extremen Bedingungen, wie sie in Kraftwerken oder Industrieanlagen herrschen – das ist mit der Anfang Mai eröffneten Forschungsanlage COSMOS-H am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) möglich. Erstmals steht der Wissenschaft damit eine Infrastruktur zur Verfügung, um Strömungs- und Siedephänomene auch unter realistischen Hochdruckbedingungen bis ins Detail zu erforschen. „Unsere neue Forschungsanlage COSMOS-H erweitert die experimentellen Möglichkeiten und stärkt den Forschungsstandort KIT“, sagt Jan S. Hesthaven, Präsident des KIT. „Sie ermöglicht die kontrollierte Untersuchung komplexer thermischer Strömungsphänomene mit fortschrittlichen Messmethoden und leistet so einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit und Effizienz zukünftiger Energiesysteme.“
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COSMOS-H – Critical heat flux On Smooth and MOdified Surfaces – High pressure – ist eine thermohydraulische Versuchsanlage für Wasser-Dampf-Experimente unter hohen Druckbedingungen bis zu 160 bar. Mit einer installierten thermischen Leistung von 1,8 Megawatt und Temperaturen von bis zu 360 Grad Celsius bietet sie umfangreiche Möglichkeiten. „Mit COSMOS-H können wir erstmals Wärmeübertragung und auch transiente Siedephänomene unter realistischen Bedingungen wie in einem echten Kraftwerk untersuchen“, sagte Daniel Banuti, Leiter des Instituts für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT. „Das ist von großer Bedeutung, um sichere und effiziente Energiesysteme zu entwickeln.“ Die gewonnenen Erkenntnisse könnten zukünftig dazu beitragen, Industrieanlagen und Kraftwerke sicherer und effizienter zu gestalten, darunter Kernreaktoren, aber auch konzentrierende Solarkraftwerke.
Bei der Arbeit mit COSMOS-H lassen sich alle experimentellen Randbedingungen wie Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Heizleistung präzise regeln. So können die Forschenden im Experiment exakt die gleichen Bedingungen herstellen, wie sie in einem realen thermischen Kraftwerk auftreten. Während des Betriebs können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Anlage mit mehr als Hundert hochauflösenden Sensoren kontrollieren und beobachten. Der Teil der Anlage, in dem die eigentlichen Versuche stattfinden, besteht aus einer modularen Druckhülle, im Inneren sind neben den Hochleistungsheizern und Thermoelementen auch zahlreiche Drucksensoren und Strömungsmesstechnik verbaut.
„Die Versuchsanordnung sowie die Messgeräte können wir flexibel an die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Experiments anpassen“, sagt Stephan Gabriel vom ITES, der den Aufbau der Anlage seit 2014 leitete. Durch den Einsatz von eigens für diesen Zweck entwickelten Hochdruck-Schaugläsern konnten die Forschenden dabei auch moderne optische Messmethoden in Verbindung mit Bildauswertungsmethoden anwenden. „Mithilfe eines Robotersystems werden Hochgeschwindigkeitskameras während des Experiments präzise bewegt und positioniert. Dadurch können wir die aufwendige Messtechnik in einem Experiment gleichzeitig an mehreren Messstellen einsetzen“, so Gabriel.
KIT / JOL
