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Analyse diskreter Flüssigkeits-Gasströmungen mit optischen Fasersensoren
No full textIm Rahmen des Graduiertenkollegs GRK358 mit dem Thema "Optische Messmethoden in den Ingenieurwissenschaften" wurde am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik an der Dortmund Universität eine faseroptische Messtechnik zur Charakterisierung von Mehrphasenströmungen entwickelt. Die Technik basiert auf der Einkopplung von Laserlicht in eine Faser, wobei die vom benetzenden Fluid abhängige Reflexion des Lichts am Faserende gemessen wird. Durch die Auswertung der Lichtreflexion kann der Phasenwechsel des Fluids am Fasersensor bestimmt werden. Zuerst wurden hier auf das Faserende aufprallende Wassertropfen mit einer einzelnen Faser untersucht. Dies führt zu einem komplexen Lichtsignal. Dazu wurden theoretische Berechnungen für die Lichtreflexionen am Sensorende durchgeführt und diese mit den Ergebnissen aus Abtropf- und Aufprallversuchen verglichen. Darauf aufbauend wurde die Geschwindigkeit der Wassertropfen mittels zweier in Bewegungsrichtung versetzter Fasern bestimmt. Die gemessenen Geschwindigkeiten der Phasengrenzen wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera überprüft. Im zweiten Abschnitt wurden die Fasersensoren für die Charakterisierung von Schäumen eingesetzt. Mit dem Fasersensor kann die Grenze zwischen dem eigentlichen Schaum und der Blasenströmung einfach bestimmt werden. Durch eine zusätzliche Faser kann die Grenze zwischen dem Schaum und der Flüssigkeit erfasst werden, in der eine hoch beladende Blasenströmung auftritt. Die Schaumgeschwindigkeit kann durch die Kombination von zwei Fasern gemessen werden. Mit Hilfe des Korrelationsverfahrens wurden die Messdaten ausgewertet. Hiermit können nicht nur die Schaumgeschwindigkeiten, sondern auch die durchschnittlichen Blasengrößen bestimmt werden. Für die Berechnung der Blasengröße wurde ein Korrekturfaktor k eingeführt. Er berücksichtigt die zufällige Positionierung innerhalb von der als sphärisch angenommener Blasen. Nach der Korrektur der Messergebnisse für die Blasengröße besteht gute Übereinstimmung mit den Fotos der Kamera. Außerdem wurde die Gasbeladung des Kugelschaums bzw. des chaotischen Mischbereichs in der Flüssigkeit über eine spezielle Auswertungsmethode berechnet.Within the graduate colleg "GRK 358" at the chair of mechanical process engineering at Dortmund University a fiber-optic measuring technique was developed for the characterisation of the multiphase flows. The laser light is injected into a fiber, in which the reflection of the light at the end of the fiber is measured, which depends on the fluid in contact. The phase change of the fluid at the fiber sensor can be determined by the analysis of the light reflection signals. At first, water drops were examined, impinging onto at the end of a single fiber sensor. A complex light signal is generated. Theoretical calculations for the light reflection at the end of the sensor were carried out. Compared to the results of experiments the signals of impingement experiments of the water drops were explained. With this knowledge the speed of water drops was measured by use of a combination of two fibers. The measured speed of the phase boundary by the fiber sensors was validated by the photographs from a high-speed camera. The results of both measuring methods show good agreement. In the second section the fiber sensors were used for the characterisation of foams. The interface between the foam and the liquid can be simply determined with one fiber sensor. In case of a highly loading gas dispersion in the liquid the interface between the foam and the liquid the application of a second fiber is successful. The foam speed can be measured by the use of the combination of two fibers. The measured data from the two fibers were evaluated by means of the cross correlation method. Not only the foam speeds, but also the average bubble sizes of the foam can be determined from these signals. A correction faktor k was introduced for the calculation of the bubble size. After correction with this factor, the bubble size agrees well with the bubble size in photos from a camera. In addition, the gas loading of wet foams and gas loading of the gas dispersion in the liquid can be calculated with a special evaluation method
Einfluss der Gasführung in Sprühtrocknern auf den Fadenzerfall an Rotationszerstäubern
No full textBei der Sprühtrocknung von Lösungen oder dispersen Systemen ist eine enge Tropfengrößenverteilung
des Zerstäubers notwendig, um ein hochwertiges Feststoffprodukt
mit enger Korngrößenverteilung zu erzielen. Enge Tropfengrößenverteilungen
können durch Flüssigkeitsfadenzerfall an Rotationszerstäubern erzielt werden. In
Zerstäubungsversuchen außerhalb des Sprühtrockners, insbesondere an Brausen,
werden enger verteilte Tropfengrößen beobachtet als im Sprühtrockner.
Es wird gezeigt, dass dies mit der Gas/Flüssigkeits-Wechselwirkung zwischen den
Flüssigkeitsfäden und dem Heizgas im Sprühtrockner erklärt werden kann. Die Art
und Ausprägung der Gas/Flüssigkeitswechselwirkung der Fäden wird analysiert und
es wird gezeigt, dass eine relative Anströmung der Fäden quer zu deren Längsachse
vorliegt. Diese relative Queranströmung ist nicht intensiv genug, um zu einer unmittelbaren
Zerstäubung der Fäden zu führen, ist aber stark genug, um zu einer
sichtbaren Deformation und zu einer Störung des Fadenzerfalls zu führen.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die quantitative Charakterisierung des Einflusses dieser
Queranströmung. Darüber hinaus wird eine Optimierungsstrategie entwickelt, die
eine geringstmögliche Störung des Fadenzerfalls durch die Gas-Flüssigkeits-
Wechselwirkung im Sprühtrockner erlaubt. Hieraus wird ein Konzept entwickelt, das
eine geeignete Heißgasführung im Sprühtrockner vorsieht. Es werden zwei Typen
von Heißgasverteilern vorgestellt, die das Heißgas so in den Trockner einleiten,
dass die resultierende Gasströmung dem entwickelten Konzept genügt. Die beiden
Gasverteilertypen unterscheiden sich in ihrem apparativen Aufwand aber auch im
erzielbaren Vorteil bzgl. der Tropfen- und Korngrößenverteilung.
Die verwendeten Methoden zur quantitativen Untersuchung des Fadenzerfalls unter
Queranströmung bzw. zur apparativen Umsetzung des Optimierungskonzepts kombinieren
das klassisch ingenieurwissenschaftliche Werkzeug der Dimensionsanalyse
und der Modelltheorie mit numerischer Strömungssimulation. Modellversuche zum
Zerfall angeströmter Flüssigkeitsfäden im Schwerefeld zeigen, dass niedrigste Gas-
Relativgeschwindigkeiten der Flüssigkeitsfäden - auch im Sprühtrockner – zu einem
optimalen Zerstäubungsergebnis führen.
Im Rahmen der Entwicklung des optimierten Heißgasverteilers wird gezeigt, dass
die Ergebnisse der Modellversuche weitgehend auf die Rotationszerstäubung übertragbar
sind. Darüber hinaus stellen die Ergebnisse der Modellversuche eine neue
und breite Datenbasis zum Zerfall quer angeströmter Flüssigkeitsstrahlen dar.In spray drying processes narrow droplet-size-distributions have to be ensured, in
order to achieve a high quality product, exhibiting a narrow particle-size-distribution
(PSD). Narrow distributed drop sizes can be produced by rotary atomizers, operated
in the regime of laminar thread break-up. However, in atomization experiments outside
the spray dryer even narrower drop-size-distributions are observed, compared
to the PSD of the spray dried product. This can be explained by the aerodynamic
interaction the liquid threads are undergoing inside the dryer.
The mode of the gas/liquid-interaction is analyzed and it is shown that the spiraling
threads are subject to a gas cross flow perpendicular to their axes. Even though the
gas/liquid-interaction is too weak to break-up the threads immediately, it leads to
visible deformations of the threads and thereby induces a perturbation of the breakup
process.
The aim of the present work is to quantitatively characterize the impact of this gas
cross flow on the thread break-up. Furthermore an optimization-strategy is developed,
allowing for lowest aerodynamic perturbation of the threads possible. Two
types of drying gas distributors are presented, providing the desired gas flow conditions.
Both types of gas distributors have specific advantages, as they differ from
each other in terms of geometric complexity, but also in terms of performance.
The methods used for the investigation of thread break-up under gas cross flow and
for the development of the optimized drying gas distributor combine dimensional
analysis and computational fluid dynamics (CFD). Similarity trials on the break-up of
liquid threads in the field of gravity suggest to realize the lowest gas relative velocity
of the threads possible, in order to achieve a low PSD width in spray drying.
Besides the CFD-based development of the drying gas distributor, the results of the
present work demonstrate the validity of the similarity trials in the field of gravity. The
results achieved represent a new experimental data base on thread break-up at gascrossflo
Design characteristics in spray processing for complex multiphase structure preservation
No full textSpray Conditioning for the Preparation of Spray Dried Submicron Particles
No full text[EN] Particle size reduction down to the submicron range (0.1-1 µm) is an effective option to increase the bioavailability
of low water soluble active pharmaceutical ingredients. According to the Nernst-Brunner equation, the preparation
of submicron sized particles increases the specific surface area, thus increases the dissolution rate. Conventional
spray drying devices for submicron particles show certain limitations. The main challenge is the preparation of
small and uniform droplets during the atomisation step. In this work, fine droplets were generated combining a
nozzle with a droplet separator. Therefore, the aerosol is generated with a pneumatic nozzle and is sprayed into a
cyclone droplet separator. Depending on the characteristics of the cyclone, droplets larger than the cut-off-size
were separated and returned into the liquid feed. The conditioned aerosol at the top of the cyclone separator can
then be introduced into the drying chamber. With this concept the usable part is separated, thus no classification
process after drying is necessary. The investigations show that the dependencies during atomisation of the
droplets size on the liquid-to-gas mass flow ratio µm and the liquid properties (e.g. viscosity) do not apply to the
separation step. The conditioned aerosol only depends on the separation characteristics of the cyclone droplet
separator. However, the amount of droplets separated is determined by the atomisation step. Hence, the amount
of droplets smaller than the cut-off-size can be increased by decreasing the droplet size of the primary aerosol.
This is realised by secondary droplet fragmentation. An impact surface causes breakup of the droplets of the
primary aerosol before separation. The investigations show an increased amount of droplets <2µm.Gorny, R.; Schaldach, G.; Walzel, P.; Thommes, M. (2017). Spray Conditioning for the Preparation of Spray Dried Submicron Particles. En Ilass Europe. 28th european conference on Liquid Atomization and Spray Systems. Editorial Universitat Politècnica de València. 162-166. https://doi.org/10.4995/ILASS2017.2017.4701OCS16216
Zur Operationstechnik bei pericholecystitischem Absceß und bei geschrumpften Gallenblasen
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