Methode der laser-induzierten Lumineszenz zur experimentellen Analyse des Stofftransportes in laminar-welligen Flüssigkeitsfilmen

  • Laser-induced luminescence method for the experimental analysis of mass transfer in laminar-wavy liquid films

Schagen, André; Modigell, Michael (Thesis advisor); Bardow, André (Thesis advisor)

Aachen : Shaker (2015)
Buch, Doktorarbeit

In: Berichte aus der Verfahrenstechnik
Seite(n)/Artikel-Nr.: VIII, 118 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Der gesteigerte Stoff- und Wärmetransport in welligen Flüssigkeitsfilmen ist im Detail ungeklärt. Zur experimentellen Untersuchung dieses Phänomens ist die laser-induzierte Lumineszenzmethode weiterentwickelt worden. Diese Methode erlaubt die nicht-invasive, trägheitsfreie und simultane Messung der lokalen Filmdicke und der Verteilung einer skalaren Feldgröße in zeitlich und örtlich hoher Auflösung. Als Lumineszenzindikator wurde Diacetyl verwendet. Dessen Fluoreszenzemission korreliert mit der durchleuchteten Schichtdicke des Flüssigkeitsfilmes. Das Abklingen der Phosphoreszenz hängt von der Verteilung einer skalaren Transportgröße im Flüssigkeitsfilm ab. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten an zwangsangeregten, laminar-welligen Flüssigkeitsfilmen aus Wasser, die eine geneigte Ebene hinabströmten. Der Stofftransport wurde anhand der flüssigkeitsseitig kontrollierten Absorption von molekularem Sauerstoff aus der Gasphase in den Flüssigkeitsfilm betrachtet. An von unten beheizten Flüssigkeitsfilmen fanden die Untersuchungen zum Wärmetransport statt. Selbst Rieselfilme, die an schwach geneigten Ebenen laminar-wellig abfließen, zeigen eine Erhöhung des Transportes gegenüber Filmen mit glatter Oberfläche. Messungen an Einzelwellen ergeben maximale Stoff- bzw. Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Wellenfront und dem Beginn des Kapillarwellenbereiches. Minimale Werte der Übergangskoeffizienten sind unterhalb der Wellenberge lokalisiert. Höhere Werte der Übergangskoeffizienten sind im Kapillarwellenbereich festzustellen. Aus gemessenen Konzentrationsverteilungen sind Felder effektiver Diffusionskoeffizienten ermittelt worden. Am Ende des hydrodynamischen Übergangsbereiches zeigen diese jeweils ein Maximum unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche. Der effektive Diffusionskoeffizient an der Phasengrenze ist im hydrodynamisch ausgebildeten Bereich größer als der molekulare Diffusionskoeffizient und nimmt mit wachsender Reynolds-Zahl zu. Im Rahmen einer ersten Iteration im strukturierten Arbeitsprozess der modellgestützten experimentellen Analyse wird ein Modell zur Beschreibung der Felder effektiver Diffusionskoeffizienten vorgeschlagen. Die Auslegung von Fallfilmapparaten kann durch die Implementierung eines solchen Modells effizient und genauer als mit integralen Auslegungsbeziehungen erfolgen.

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