Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (TVT)

Marangonikonvektion bei Tropfenbildung und -koaleszenz (DFG)

Ansprechpartner

M.Sc. Jens Heine

Zusammenfassung

Marangonikonvektionen bei Tropfen verbessern massiv die Stofftransferrate und beeinflussen direkt die lokale Hydrodynamik, insbesondere bei Tropfenbildung und -koaleszenz. Dabei sind lokale Phänomene nicht ausreichend verstanden und somit für eine ingenieurtechnische Nutzung (Apparateauslegung) unzureichend erfasst und nicht berechenbar. Tropfen durchlaufen in der Extraktionskolonne die Phasen der Bildung, des Aufstieg bzw. der Sedimentation und der Koaleszenz. Dabei sind alle Phasen eng und auf komplexe Weise miteinander sowie mit den fluiddynamischen Verhältnissen und dem Stofftransport verknüpft. Stofftransportvorgänge setzen bereits während der Tropfenbildung ein. Während des folgenden Aufstiegs kann ein Tropfen mit anderen Tropfen kollidieren und entweder von diesen abprallen oder mit ihnen koaleszieren. Sowohl die Koaleszenzwahrscheinlichkeit als auch die Dauer des Aufstiegs - und damit die Verweilzeit des Tropfens im Apparat - hängen u.a. von der Aufstiegsgeschwindigkeit ab. Das Koaleszenzverhalten beeinflusst zudem die Tropfengrößenverteilung, die wiederum die für den Stofftransport zur Verfügung stehende Fläche vorgibt. Beim Transport von übergehenden Komponenten kann es zu Gradienten der Grenzflächenspannungen kommen. Dadurch werden zusätzliche Schubspannungen hervorgerufen, die zu einer Bewegung der Phasengrenze und zu intensiven Strömungsstrukturen bis an die Phasengrenze führen. Dieses Phänomen - der sog. Marangoni-Effekt - bewirkt eine besonders intensive Kopplung von Impuls- und Stofftransport. Um auf diese komplexen Fragestellungen einzugehen, werden häufig Untersuchungen zu Fluiddynamik und Stofftransport von Einzeltropfen durchgeführt. Mit Hilfe von Korrekturfaktoren wird dann auf die Eigenschaften der Tropfenschwärme geschlossen, aber wichtige lokale Effekte werden dabei vollständig ignoriert. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird die Auswirkung der Marangonikonvektion auf den Stofftransport experimentell und numerisch während der Tropfenbildung sowie bei der binären Tropfen-Tropfen-Koaleszenz grundlegend im Labormaßstab untersucht und eine Bewertungs- und Auslegemethodik zur technischen Apparateauslegung abgeleitet.

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