Design and commissioning of a laser Doppler velocimetry seeding system for non-ideal fluid flows

The design, the construction and the commissioning of a seeding system for Laser Doppler Velocimetry operating in non-ideal conditions, namely in the close proximity of the liquid-vapor saturation curve and critical point, is presented. The system is implemented in the Test Rig for Organic VApors (TROVA), a facility built at the CREALab (Politecnico di Milano) with the aim of characterizing non-ideal gas flows representative of those occurring in Organic Rankine Cycle turbine passages. The tested fluid is the siloxane MDM (Octamethyltrisiloxane – C8H24O2Si3), a silicon oil of particular interest for high temperature ORC applications. Depending on the test operating conditions, the fluid under scrutiny expands in a convergent-divergent nozzle from total pressure and total temperature ranging from 4 bar to 25 bar and from 253.2 °C to 310.3 °C respectively, therefore the seeding has to be injected in a high temperature and high pressure environment, without altering the thermo-fluid dynamic behavior of the fluid. A suspension of the tracer particles (titanium dioxide, TiO2 or silicon dioxide, SiO2) in the working fluid is atomized into the flow, within a plenum ahead of the nozzle inlet. Since the surrounding fluid is in superheated vapor (or supercritical) conditions, the spray then evaporates leaving the solid particles free to follow the flow. The designed system consists of a tank, pressurized with nitrogen and containing the MDM–seeding suspension, of a jet mixing system, to maintain the suspension stirred, and of a drawing line ending with the atomizing nozzle. During normal operation, the tank is pressurized at a pressure higher than the plenum one and the fluid flows naturally through the atomizer. The system has been commissioned and validated through the verification of its operation. The presented work is the initial part of an optimization process, and the implemented tests show the developments that have to be carried out to perform a reliable LDV measurement. The system is suitable for all cases where optical measurements (LDV, PIV, etc.) have to be applied in high temperature, high pressure conditions similar to those occurring in the TROVA and whenever the use of auxiliary fluids different from the working one is not feasible. The reported test proves the suitability of the system in properly seeding the flow.

Nel presente lavoro, viene presentato il progetto, la costruzione e la messa in opera di un sistema d’inseminazione per effettuare misure di velocimetria laser Doppler in flussi in condizioni non ideali, cioè nelle vicinanze del punto critico. Il sistema è stato implementato nel Test Rig for Organic VApors (TROVA), un impianto costruito al CREALab, presso il Politecnico di Milano, con l’obiettivo di caratterizzare flussi di gas non ideali rappresentativi delle condizioni che si ritrovano nelle schiere di turbina ORC. Il fluido testato è il silossano MDM (Ottametiltrisilossano – C8H24O2Si3), un fluido di particolare interesse per applicazioni ORC ad alta temperatura. A seconda delle condizioni operative dello specifico test, il fluido in esame espande in un ugello convergente divergente, da una pressione totale e temperatura totale comprese rispettivamente tra 4 bar e 25 bar e tra 253.2 °C e 310.3 °C, quindi il tracciante deve essere iniettato in un ambiente ad alta temperatura e alta pressione, senza alterare il comportamento termo fluidodinamico del fluido. Una sospensione di particelle traccianti (biossido di titanio, TiO2 o biossido di silicio, SiO2) nel fluido di lavoro viene atomizzata nel flusso, nel plenum a monte dell’ingresso dell’ugello. Dato che il fluido circostante è in condizioni di vapore surriscaldato (o supercritiche), lo spray evapora, lasciando le particelle solide libere di seguire il flusso. Il sistema progettato è composto da un serbatoio, pressurizzato con azoto e contenente la sospensione di MDM e inseminante, da un sistema di miscelamento a getto, per mantenere una sospensione omogenea, e da una linea di prelievo che termina con l’atomizzatore. Durante il normale funzionamento, il serbatoio è pressurizzato ad una pressione maggiore di quella del plenum e il fluido fluisce naturalmente attraverso l’atomizzatore. Il sistema è stato messo in opera e validato attraverso una verifica del suo funzionamento. Il presente lavoro è la parte iniziale di un processo di ottimizzazione, e i test fatti mostrano le migliorie che devono essere apportate per effettuare una misura LDV affidabile. Il sistema è adatto per tutti i casi in cui si devono effettuare misure ottiche (LDV, PIV, ecc.) in condizioni ad alta temperatura e pressione, simili a quelle che si ritrovano nel TROVA e in tutti quei casi dove fluidi ausiliari diversi da quello di lavoro non possono essere utilizzati. I test riportati provano l’idoneità del sistema ad inseminare correttamente il flusso.