Drukmeting in een brandstofflexibele microgasturbine
In tegenstelling tot conventionele elektrische voertuigen die uitsluitend op accu's vertrouwen, wekt het concept van het Eco-Runner Team Delft elektrische energie op door duurzame brandstoffen te verbranden in een speciaal ontworpen verbrandingskamer. De hete gassen die hierbij ontstaan, drijven een turbine aan die een generator aandrijft. Zo ontstaat een compacte range extender die op meerdere hernieuwbare brandstoffen kan werken.
Hogetemperatuur-drukmeting voor duurzame energieopwekking
Om de prestaties van dit systeem te valideren, waren nauwkeurige drukmetingen bij hoge temperaturen essentieel. Althen Sensors & Controls leverde hogetemperatuur-druksensoren met geïntegreerde temperatuurisolatoren. Hierdoor konden betrouwbare drukmetingen worden uitgevoerd op locaties waar conventionele druksensoren vanwege de hoge temperaturen niet veilig of betrouwbaar konden worden toegepast.
Elektrische energie opwekken uit duurzame brandstoffen
Eco-Runner Team Delft is een van de gerenommeerde Dream Teams van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) en bestaat uit studenten uit verschillende technische disciplines. Elk team krijgt één academisch jaar de tijd om een nieuw duurzaam mobiliteitsconcept te ontwerpen, ontwikkelen en valideren.
Het Eco-Runner Team Delft XVI stelde zichzelf het ambitieuze doel om een praktische, brandstofflexibele microgasturbine te ontwikkelen die efficiënt elektrische energie kan opwekken uit duurzame brandstoffen. Om dit te realiseren, ontwierp en ontwikkelde het team een volledig nieuwe verbrandingskamer en een nieuw turbinesysteem die bestand zijn tegen de extreem veeleisende bedrijfsomstandigheden.
Inzicht in het drukverloop
Tijdens de ontwikkeling was een goed inzicht in het drukverloop binnen het complete systeem essentieel. Standaard druksensoren zijn doorgaans niet geschikt om direct in de buurt van hogetemperatuurverbrandingsprocessen te worden toegepast. Daarom was een oplossing nodig die de druk nauwkeurig kon meten en tegelijkertijd de sensor beschermde tegen de extreme thermische belasting. De druksensor van Althen met geïntegreerde temperatuurisolator bood hiervoor de ideale oplossing.
Uitdaging en meetvereisten
Het ontwikkelingsteam had nauwkeurige drukmetingen nodig om inzicht te krijgen in:
- de drukverhouding van de compressor;
- het drukverlies over de turbine;
- de efficiëntie van het verbrandingsproces;
- de algehele systeemprestaties;
- de optimalisatie van de brandstof-luchtverhouding;
- de validatie van simulatiemodellen.
In combinatie met temperatuur- en massadebietmetingen maakten de drukgegevens het voor de engineers mogelijk om de thermodynamische efficiëntie te analyseren en de praktijkresultaten te vergelijken met de ontwerpberekeningen.
De verzamelde meetgegevens vormden bovendien een belangrijke basis voor toekomstige ontwerpverbeteringen aan zowel de verbrandingskamer als de brandstofflexibele microgasturbine.
Hogetemperatuur-druksensoren
Althen leverde twee AHI2200 hogetemperatuur-druksensoren, elk gecombineerd met een temperatuurisolator.
De AHI2200 is gebaseerd op Silicon-on-Sapphire sensor technology en is ontworpen voor nauwkeurige drukmetingen in veeleisende hogetemperatuurtoepassingen. De sensor heeft een nauwkeurigheid van 0,1% en is geschikt voor zowel omgevings- als mediatemperaturen tot 200 °C.
De temperatuurisolatoren zorgden voor een extra thermische scheiding tussen het hete gassysteem en de druksensoren. Hierdoor konden de sensoren dicht bij het verbrandingsproces worden geïnstalleerd, terwijl de directe blootstelling aan de hoogste temperaturen aanzienlijk werd verminderd.
De twee sensoren werden ingezet om de druk op twee verschillende locaties in de microgasturbine te meten:
- stroomafwaarts van de verbrandingskamer;
- direct stroomafwaarts van de turbine.
Door de drukmetingen op deze locaties te vergelijken met de druk op andere meetpunten in het systeem, kon het team de drukverhouding van de compressor en het drukverlies over de turbine bepalen.
Implementatie
De sensoren werden tijdens de ontwikkeling geïntegreerd in de testopstelling van de microgasturbine.
De drukmetingen werden continu gecombineerd met temperatuur- en massadebietmetingen om de volgende prestaties te evalueren:
- de prestaties van de compressor;
- het rendement van de turbine;
- de prestaties van het verbrandingsproces;
- het algehele systeemgedrag.
Gedurende het ontwikkelproces werden de gemeten waarden voortdurend vergeleken met simulaties en technische ontwerpberekeningen. Hierdoor kon het team de prestaties van het ontwerp van de verbrandingskamer nauwkeurig verifiëren en waar nodig verder optimaliseren.
Stabiele en betrouwbare drukmetingen
De druksensoren presteerden gedurende het volledige testprogramma volledig volgens verwachting. Ondanks de veeleisende bedrijfsomstandigheden en de hoge temperaturen leverden de sensoren stabiele en betrouwbare drukmetingen die nauw overeenkwamen met de voorspellingen uit de simulatiemodellen. Met behulp van de verzamelde meetgegevens kon Eco-Runner Team Delft de prestaties van de verbrandingskamer succesvol valideren en bevestigen dat het complete systeem functioneerde zoals ontworpen.
De gevalideerde drukmetingen vormden een belangrijke stap in de verdere ontwikkeling van de microgasturbine. Dankzij deze meetresultaten kon het team de werking van het brandstofflexibele verbrandingssysteem verifiëren en met succes aantonen dat het systeem elektrische energie kan opwekken uit duurzame brandstoffen.
"De samenwerking met Althen verliep snel, soepel en uiterst professioneel. Vanaf het eerste contact dachten de engineers actief met ons mee over onze meetuitdaging en kwamen zij snel met een passende oplossing. De communicatie gedurende het hele project was helder, efficiënt en praktisch. Hun bereidheid om verder te kijken dan standaardoplossingen en zich te richten op wat technisch mogelijk was, maakte de samenwerking bijzonder waardevol voor ons team."
De bijdrage van Althen
Door hogetemperatuur-druksensoren met temperatuurisolatie te leveren, maakte Althen Sensors & Controls nauwkeurige drukmetingen mogelijk in een van de meest veeleisende onderdelen van de microgasturbine.
De combinatie van geavanceerde sensortechnologie, technische ondersteuning en praktische applicatiekennis stelde Eco-Runner Team Delft in staat de meetgegevens te verzamelen die nodig waren om hun innovatieve concept voor brandstofflexibele energieopwekking succesvol te valideren.
Druk meten onder uitdagende omstandigheden?
Wij helpen u bij het selecteren van de juiste oplossing voor drukmetingen. Neem contact met ons op om uw toepassing of meetuitdaging te bespreken.
