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Dr. Stephan Boden
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Dr. Markus Schubert
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Taylor-Blasen in Minikanälen

Mikro- und ministrukturierte Apparate sind für Reaktions- sowie Stoff- und Wärmetransportprozesse in der Prozess- und Verfahrenstechnik von besonderem Interesse. Im Zweiphasenbetrieb ist die Taylorströmung das bevorzugte Strömungsregime, bei dem hohe Gas-Flüssig-Stofftransportraten bei gut einstellbaren Verweilzeiten erzielt werden können. Die Taylorströmung ist durch einen intensivierten Gas-Flüssigkeits-Kontakt im Film um die Taylorblase und durch eine gute Durchmischung im nachfolgenden Flüssigkeitspfropfen charakterisiert.

Im Rahmen des Schwerpunktprogramm SPP 1506 „Transportprozesse an fluiden Grenzflächen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurde die Leitmaßnahme „Taylor-Flow“ als systematisches Taylorblasen-Referenzexperiment definiert, welches als Benchmark zur Validierung mathematischer Modelle und numerischer Methoden dient. In den Arbeiten am HZDR wurde der Stofftransport integral und lokal für Taylorblasen in Kanälen unterschiedlicher Form, Wandrauigkeit und für äquivalente Blasendurchmesser im Bereich von 0,5 bis 10 mm bestimmt. Insbesondere wurde der Einfluss von oberflächenaktiven Substanzen (Tenside) auf den Stofftransport untersucht und anhand der Tensidkonzentration an der Grenzfläche und der lokalen Oberflächenspannung erklärt.

Um die dreidimensionale Gestalt der Taylorblasen in engen Kanälen zu bestimmen, wurden am HZDR röntgenradiographische und röntgentomographische Messverfahren weiterentwickelt. Die experimentellen Untersuchungen wurden unter Verwendung eines Mikrofokus-Röntgenbildgebungssystems durchgeführt. Taylorblasen wurden dabei in einer Flüssigkeits-Gegenströmung auf einer festen vertikalen Position in den Kanälen mit hydraulischen Durchmessern von 6 mm gehalten. Tomographisch wurden dreidimensionale Abbildungen mit effektiven Bildpunktauflösungen von 27 µm erzeugt. Damit konnte erstmals in quadratischen Kanälen die mit optischen Verfahren nicht zugängliche Oberfläche nicht-symmetrischer Taylorblasen vermessen werden.



Mit den Ergebnissen der Mikrofokus-Röntgentomographie wurde ein radioskopisches Messverfahren qualifiziert, mit dem der Stofftransport an Taylorblasen auch unter dem Einfluss von oberflächenaktiven Substanzen quantifiziert und bewertet werden kann. Dazu wurde das Auflösen von im Flüssigkeits-Gegenstrom fixierten CO2-Einzelnblasen in Wasser wurde mit einem Mikrofokus-Röntgenbildgebungssystem kontinuierlich beobachtet. Der flüssigkeitsseitige Stofftransportkoeffizient wurde anhand der Größenänderung der Blase bei konstantem Druck berechnet und mithilfe der modifizierten Sherwood-Zahl korreliert.



Darüber hinaus ermöglichten Experimente an der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA (KIT Karlsruhe) die exakte Vermessung der Form der Taylorblasen in den Kanälen. Bei einer effektiven Bildpunktauflösung von 5,6 µm und Belichtungszeiten von nur 1/36000 Sekunden und entsprechend hohen Bildraten waren selbst kleinste Details wie die Krümmung der Grenzfläche an der Blasenspitze oder die Wölbung am Blasenende bestimmbar. Parametrische experimentelle Untersuchungen wurden für verschiedene Kanalquerschnitte (rund, quadratisch) und Geschwindigkeiten (Ub = 20-320 mm/s) für wässrige Glycerol-Lösungen (Ca = 0,01-0,16) durchgeführt und als Validierungsdaten für numerische Strömungssimulationsverfahren („Interface Capturing and Tracking“-Verfahren, „Sharp Interface and Diffuse Interface“-Verfahren) bereitgestellt.



Ebenfalls untersucht wurde das Verhalten von Taylorblasen in mechanisch agitierten Kanälen. Die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen und die Wellenbewegung an deren Oberfläche wurden mittels Videometrie analysiert. Im Vergleich zum stationären Kanal konnte durch die mechanisch induzierte Oszillation der Stofftransport in Abhängigkeit von Frequenz und Amplitude der Vibration um 80 % bis 186 % gesteigert werden, was hauptsächlich auf die Ausbildung propagierender Grenzflächenwellen und auf höhere Flüssigkeitsfilmgeschwindigkeiten zurückzuführen ist. Außerdem ergab die Analyse der Oberflächenwellenbewegung, dass die größere Kontaktfläche zwischen den Phasen und die verstärkte Vermischung den Stofftransport im Vergleich zu nicht agitierten Blasen gleicher Péclet-Zahl zusätzlich um 30 % steigern.



Kooperation

  • TU Darmstadt,
  • RWTH Aachen,
  • KIT Karlsruhe,
  • TU Hamburg-Harburg,
  • FAU Erlangen-Nürnberg,
  • OvGU Magdeburg,
  • TU Dresden,
  • ANKA synchrotron radiation source - KIT Karlsruhe

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, HA3088/7–1,  HA3088/7-2)

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