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Fachtagung “Experimentelle Strömungsmechanik“ 5.-7. September 2017, Karlsruhe Untersuchung des Einflusses von Mikrostrukturen auf die Fluiddynamik von Flüssigkeitsfilmströmungen auf Packungsoberflächen mithilfe von Stereo-μPIV Flow field measurements of liquid film flows over structured packing material surfaces using μ-stereo particle image velocimetry S. J. Gerke, A. Marek, J.-U. Repke Technische Universität Berlin, Fakultät III Prozesswissenschaften, Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen, Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin, E-Mail: [email protected], Internet: http://www.tu-berlin.de/dbta PIV, Filmströmung, strukturierte Packungen, mikrostrukturierte Oberfläche PIV, film flow, structured packing, micro-structured surface Kurzfassung Filmströmungen sind wegen ihres großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis vorteilhaft für viele verfahrenstechnische Prozesse. In Destillations- und Absorptionskolonnen sind strukturierte Packungen weit verbreitet, da diese höhere Trennleistungen bei niedrigen Druckverlusten ermöglichen. Mikrostrukturen auf der Packungsoberfläche begünstigen durch die verbesserten Benetzungseigenschaften die Ausbildung von Filmströmungen. Zusätzlich kann auch eine Stofftransportsteigerung erzielt werden. Die Ursache wird in der Bildung von Rezirkulationsgebieten, Queraustausch und Wellenformationen vermutet. Die Beeinflussung der Flüssigkeitsfilmströmung durch die Oberflächenstrukturierung von Packungsoberflächen soll mittels fluiddynamischen Untersuchungen aufgeklärt werden. Dazu wird zunächst das Strömungsfeld von Flüssigkeitsfilmströmungen auf geneigten Platten verschiedener Oberflächenstrukturierung mit einer stereoskopischen Particle Image Velocimetry (PIV) erfasst. Damit ist es gegenüber 2D-PIV möglich, zusätzlich die „Out-of- Plane" Geschwindigkeitskomponente zu messen. Um die Beeinflussung der Messergebnisse durch Reflektionen an der Plattenoberfläche und durch optische Verzerrungen auszuschließen, erfolgt die Messung rückseitig durch transparente Abdrücke der Plattenoberflächen und Brechungsindexanpassung der Flüssigkeit. In diesem Beitrag werden Stereo-μPIV Messungen (2D3C) des zeitgemittelten Strömungsfeldes von Flüssigkeitsfilmströmungen (Filmdicken von ca. 1 mm) auf ebenen geneigten Platten gezeigt und Ergebnisse glatter und bidirektional strukturierter Oberfläche verglichen. Es kann gezeigt werden, dass die bidirektionale Struktur Strömungskomponenten normal zur Hauptanströmungsrichtung hervorruft. Copyright © 2017 and published by German Association for Laser Anemometry GALA e.V., Karlsruhe, Germany, ISBN 978-3-9816764-3-3 68-1

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Fachtagung “Experimentelle Strömungsmechanik“ 5.-7. September 2017, Karlsruhe

Untersuchung des Einflusses von Mikrostrukturen auf die Fluiddynamik von Flüssigkeitsfilmströmungen auf Packungsoberflächen mithilfe von Stereo-µPIV Flow field measurements of liquid film flows over structured packing material surfaces using µ-stereo particle image velocimetry S. J. Gerke, A. Marek, J.-U. Repke Technische Universität Berlin, Fakultät III Prozesswissenschaften, Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen, Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin, E-Mail: [email protected], Internet: http://www.tu-berlin.de/dbta PIV, Filmströmung, strukturierte Packungen, mikrostrukturierte Oberfläche PIV, film flow, structured packing, micro-structured surface Kurzfassung Filmströmungen sind wegen ihres großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis vorteilhaft für viele verfahrenstechnische Prozesse. In Destillations- und Absorptionskolonnen sind strukturierte Packungen weit verbreitet, da diese höhere Trennleistungen bei niedrigen Druckverlusten ermöglichen. Mikrostrukturen auf der Packungsoberfläche begünstigen durch die verbesserten Benetzungseigenschaften die Ausbildung von Filmströmungen. Zusätzlich kann auch eine Stofftransportsteigerung erzielt werden. Die Ursache wird in der Bildung von Rezirkulationsgebieten, Queraustausch und Wellenformationen vermutet. Die Beeinflussung der Flüssigkeitsfilmströmung durch die Oberflächenstrukturierung von Packungsoberflächen soll mittels fluiddynamischen Untersuchungen aufgeklärt werden. Dazu wird zunächst das Strömungsfeld von Flüssigkeitsfilmströmungen auf geneigten Platten verschiedener Oberflächenstrukturierung mit einer stereoskopischen Particle Image Velocimetry (PIV) erfasst. Damit ist es gegenüber 2D-PIV möglich, zusätzlich die „Out-of-Plane" Geschwindigkeitskomponente zu messen. Um die Beeinflussung der Messergebnisse durch Reflektionen an der Plattenoberfläche und durch optische Verzerrungen auszuschließen, erfolgt die Messung rückseitig durch transparente Abdrücke der Plattenoberflächen und Brechungsindexanpassung der Flüssigkeit. In diesem Beitrag werden Stereo-µPIV Messungen (2D3C) des zeitgemittelten Strömungsfeldes von Flüssigkeitsfilmströmungen (Filmdicken von ca. 1 mm) auf ebenen geneigten Platten gezeigt und Ergebnisse glatter und bidirektional strukturierter Oberfläche verglichen. Es kann gezeigt werden, dass die bidirektionale Struktur Strömungskomponenten normal zur Hauptanströmungsrichtung hervorruft.

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Einleitung Ein Großteil des Energieverbrauchs der chemischen Industrie wird für die Aufarbeitung von Stoffgemischen mit thermischen Trennverfahren, insbesondere der Rektifikation und Absorption in Packungskolonnen aufgewendet. Dafür kommen zunehmend strukturierte Packungen zum Einsatz, da diese hohe Trennleistungen bei niedrigem Druckverlust ermöglichen. Strukturierte Packungen bestehen aus speziell gewellten Blechen, deren Oberfläche meist mit einer Mikrostruktur in der Größenordnung von etwa 1 mm versehen ist. Es ist bekannt, dass diese Mikrostrukturen das Benetzungsverhalten verbessern und den flüssigseitig-limitierten Stofftransport positiv beeinflussen (Kohrt 2012). Durch die verbesserte Benetzung wird die Ausbildung von Filmströmungen begünstigt, allerdings können auch Tropen- und Rinnsalströmungen auftreten (Hoffman 2004). Als Ursachen für die Stofftransportsteigerungen werden lokale fluiddynamische Phänomene, wie Queraustausch, die Ausbildung von Rezirkulationsregionen und Wellenformationen vermutet. Deren Aufklärung erfordert systematische strömungstechnische Untersuchungen. Durch ständig steigende Rechnerkapazitäten kann die Auslegung und Optimierung von Packungen zunehmend mit 3D-Modellen der Computational Fluid Dynamics (CFD) erfolgen (Repke 2007). Diese Modelle müssen jedoch mit experimentellen Daten validiert werden. So sollten die Experimente unter möglichst prozessnahen Bedingungen (industrielle Oberflächenstrukturen, Flüssigkeitsbelastungen, Gasgegenstrom) erfolgen. Da Strömungen oft sehr empfindlich gegenüber kleinsten Störungen sind, setzt man in der Strömungsmesstechnik auf sogenannte minimal-invasive, meist optische Messverfahren. Der optische Zugang zu der Filmströmung kann durch die rückseitige Messung auf transparenten Platten hergestellt werden (Adomeit 2000). Bei Berücksichtigung von Brechungseinflüssen durch die gas-flüssig Phasengrenze kann die Beobachtung auch von der Oberseite der Platte erfolgen (Paschke 2012). Sobald wellige Filmströmungen untersucht werden, bietet der erste Ansatz den Vorteil, dass die Beobachtung lediglich durch nichtbewegte Phasengrenzen erfolgt. In diesem Beitrag werden die Messungen rückseitig durch transparente Silikonabdrücke von industriell verwendeten metallischen Packungsoberflächen ausgeführt. Experimenteller Aufbau Im Experiment wird die Flüssigkeitsfilmströmung durch die vollständig benetzende Überströmung einer geneigten ebenen Platte mit b = 5 cm Breite und L = 30 cm Länge erzeugt. Die Kanalhöhe beträgt h = 1 cm. Entsprechend Abb. 1 wird der flüssigseitige Massenstrom pulsationsfrei über Zahnradpumpe P-01 ein Reservoir mit Überlaufwehr der an der Oberseite der Messzelle geleitet. Nach Überströmen des Plattenelements wird die Flüssigkeit zurück in den Kreislauf geführt. Der Massenstrom wird über ein Schwebekörper-Durchflussmesser FI-01 erfasst und mittels Plattenwärmeübertrager HE-01 und Kryo-Umwälz-Thermostat auf 25°C temperiert. Ein Gasgegenstrom kann in der Messzelle nach Abnahme durch Druckminderer PIC-11 von der Prozessluft über einen Massendurchflussregler FIC-11 mit kalorimetrischer Durchflussmessung eingestellt werden. Das Stereo-µPIV System besteht aus einem Litron Nano T 135-15 PIV Laser mit 2 x 135 mJ Pulsenergie, zwei Andor HiSense Neo 5.5 sCMOS Kameras, einer Synchronisationseinheit und einem Messrechner mit Dantec Dynamics Studio (Aufnahme- und Auswerteprogramm). Die Messzellen werden aus einer transparenten Vergussmasse (Dow Corning Sylgard 184) hergestellt, die die Oberflächenstruktur nachbilden

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und den optischen Zugang ermöglichen. Brechungseffekte an der Phasengrenze PDMS-Flüssigkeit werden durch Brechungsindexanpassung vermieden. Als Seedingpartikel kommen hohle Glaskugeln mit einem mittleren Durchmesser von 10 µm zum Einsatz. Die Messposition befindet sich mittig auf der Platte, 15 cm stromabwärts des Überlaufwehrs. Eine günstige Anordnung der Messebene erlaubt neben der Überströmung einer Mikrostruktur auch den Queraustausch durch die Erfassung der „Out-of-Plane" Geschwindigkeitskomponente zu bestimmen. Die Beobachtung durch zwei sCMOS-Kameras ist entsprechend Abb. 2 von der Rückseite auf die Messebene ausgerichtet, sodass keine Messfehler durch optische Verzerrungen an der bewegten Phasengrenze des Flüssigkeitsfilmes auftreten. Für die Kalibrierung des Stereo-µPIV Systems kommt ein rückseitig durchleuchtetes Mikrokalibriernormal zum Einsatz. Die Positionierung des Kalibriernormals im Lichtschnitt erfolgt mit einem Piezomotor mit 80 nm bidirektionaler Wiederholgenauigkeit. Um die Schärfentiefe auf das vollständige Messgebiet auszudehnen, wurden 3 mm Lochblenden vor den Zoomobjektiven angebracht. Es ergibt sich der Vergrößerungsmaßstab von etwa 2,4 µm / Pixel. Je Messpunkt wurden pro Kamera 1000 Doppelbilder bei einer Messfrequenz von 14 Hz aufgenommen. Diese wurden über die mittlere Kreuzkorrelation ausgewertet, da für eine typische Kreuzkorrelation je Doppelbild keine ausreichende Partikeldichte erzielt werden konnte. Die Größe der Auswertefenster wurde zu 64 x 64 Pixel gewählt und der Zeitabstand zwischen den Belichtung so angepasst, dass der maximale Partikelversatz 8 Pixel beträgt.

Abb 1: Schema Versuchsanordnung

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Laminare Strömung – Glatte Platte Zunächst wird die Messtechnik auf der glatten Oberflächenstruktur mit einem hochviskosen Fluid 1,2-Propandiol (99,7 %wt) mit 44,39 mPas bei Reynolds-Zahlen von 1,8 und 0,95 erprobt. Die zugehörigen Volumenströme sind 13,78 l/h und 7,39 l/h. Hierbei konnten auch 15 cm unterhalb des Einströmrandes keine Wellen beobachtet werden. In Abb. 3 ist für Re = 1,8 der Geschwindigkeitsbetrag als farbige Kontur und die Strömungsrichtung anhand von Pfeilen dargestellt. Die Position der Plattenoberfläche wurde über die mittlere Intensitätsverteilung aller Partikelbilder zu y = -0,95 mm bestimmt, die der mittleren Filmoberfläche zu y = 0,1 mm. In diesem y-Bereich werden in Abbildung die Geschwindigkeitsprofile aufgetragen und mit der analytischen Lösung (siehe Brauer 1971, Seite 723 bis 727) verglichen, wobei hier zusätzlich die Plattenneigung berücksichtigt wurde. Es zeigt sich eine gute qualitative Übereinstimmung mit dem erwarteten parabolischen Profil. Die größten Schwankungen der experimentellen Werte treten nahe der Wand und der Filmoberfläche auf. Durch die theoretische Berücksichtigung einer Schubspannung 𝜏 > 0 an der Filmoberfläche kann die Wirkung eines Impulsaustauschs mit der Gasphase dargestellt werden. So kann die Übereinstimmung weiter erhöht werden. Die Darstellung der Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeitskomponenten (Abb. 4) zeigt, dass für die glatte Oberfläche die entgegen der Hauptströmungsrichtung ausgerichtete Komponente u die dominierende Komponente ist, während v und w in etwa wie erwartet eine schmale Verteilung symmetrisch um 0 m/s zeigen. Der zweite Messpunkt bei niedriger Re-Zahl weist bei dem Vergleich mit der analytischen Lösung eine größere Abweichung der Geschwindigkeit im Bereich der Filmoberfläche auf.

Abb. 2: Aufbau Messzelle und Kameraanordnung

Abb. 3: Strömungsfeld glatte Platte, Re = 1,8

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Bidirektional strukturierte ebene Platte

Bei der bidirektionalen Struktur handelt es sich um Abdrücke von tetraederartigen Strukturen die mit einer Walze einem dünnen Edelstahlblech aufgeprägt wurden (siehe Abb. 5). Der Höhenabstand von Tal zu Spitze beträgt 550 µm und der kürzeste Abstand zwischen zwei Spitzen ca. 2,1 mm. Die Wellenlänge entlang der Messebene wurde mit einem Maßstab zu ca. 4 mm bestimmt. An Messposition 1 (vgl. Abb. 5) kann die Filmströmung über die Spitzen der bidirektionalen Struktur ermittelt werden. Über die mittlere Intensitätsverteilung der Partikelbilder kann die wellige Kontur der Plattenoberfläche rekonstruiert werden. Anhand Abb. 7 kann die Amplitude zu ca. 600 µm geschätzt werden. Abb. 7 und 8 lassen eine Wellenlänge zwischen 3,6 mm und 4,1 mm vermuten. Als Flüssigkeit wurde Wasser-Glyzerin 35:65%wt verwendet. Der Volumenstrom wurde auf 25 l/h eingestellt, sodass die Re = 16,94 gilt. Die Auswertung der Geschwindigkeitsfelder entsprechend Abb. 7 zeigt, dass die Strömung von der welligen Oberflächenstruktur abgelenkt wird. Vor der Überströmung der Strukturspitze bildet sich eine minimal erhöhte mittlere Filmdicke und gleichzeitig die höchste Strömungsgeschwindigkeit. Neben der Überströmung findet auch eine Umströmung der Strukturspitzen quer zur Hauptströmung statt, was durch die Erfassung der w-Komponente sichtbar gemacht werden kann. Dieses Verhalten spiegelt sich auch durch eine

Abb. 4: Strömungsprofil und Häufigkeitsdichte für Re = 1,8(unten) und Re = 0.95 (oben)

Pos. 1

Pos. 2

Pos 1

Pos 2

Abb. 5: Bidirektionale Struktur und Messpositionen

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breitere Streuung der w-Komponente in der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung nach Abb. 6 wieder. Für Messposition 2 wird gegenüber zu Messposition 1 eine klare Auf- und Abwärtsbewegung (v-Komponente) über die gesamte Filmdicke nachgewiesen (Abb. 9). Die Häufigkeitsverteilung der v-Komponente ist entsprechend deutlich verbreitert (Abb. 8). Zudem zeigt sich in Abb. 9 eine Querablenkung der Strömung im wandnahen Bereich, vermutlich induziert durch eine, außerhalb der Messebene, seitlich angeordnete Strukturflanke.

Abb. 6: Pos. 1: Häufigkeitsdichte d. Geschw.-Komponenten

u in m/s

v in m/s

w in m/s

Abb. 7: Pos. 1: Konturen der Geschwindigkeitskomponenten

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Zusammenfassung und Ausblick Mit dem im Beitrag vorgestellten Stereo-µPIV konnte das 2D3C-Geschwindigkeitsfeld von Flüssigkeitsfilmströmungen auf geneigten ebenen Platten mit Oberflächenstrukturierung abgebildet werden. Aus der mittleren Intensität aller aufgenommenen Partikelbilder kann die

u in m/s

v in m/s

w in m/s

Abb. 9: Pos. 2: Konturen der Geschwindigkeitskomponenten

Abb. 8: Pos. 2: Häufigkeitsdichte d. Geschwindigkeitskomponenten

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mittlere Filmdickenverteilung abgeschätzt werden. Dadurch ist es möglich die Position der Wand und der mittleren Filmoberfläche zu erfassen. Diese Werte können auch als Vergleich für geplante Filmdickenmessungen mit der Light Induced Fluorescence (LIF) Methode dienen. Die zeitgemittelten Strömungsfelder, sowie die Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeitskomponenten von glatter und bidirektional mikrostrukturierter Platte zeigen einen direkten Einfluss der Oberflächenstruktur auf den Queraustausch. Bei der Überströmung der Strukturspitzen wird die w-Komponente betont. Bei der Durchströmung der Täler dagegen hauptsächlich die v-Komponente. Zukünftig werden mit diesem Versuchsstand Flüssigkeitsströmungen auf makrostrukturierten Packungsstrukturen und in Packungskanälen vermessen. Dankesworte

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Re 1705/8-1) für die finanzielle Unterstützung. Literatur Adomeit, P., Renz, U., 2000: “Hydrodynamics of three-dimensional waves in laminar falling films”, International Journal of Multiphase Flow, Volume 26, Issue 7,Pages 1183-1208

Brauer, H., 1971: „Grundlagen der Einphasen-und Mehrphasenströmungen“. Vol. 2. Sauerländer,

Hoffmann, A., Ausner, I., Repke, J. U., & Wozny, G., 2004: „Aufreißende Filmströmung auf geneigten Oberflächen“. Chemie Ingenieur Technik, 76(8), 1065-1068.

Kohrt, M., 2012: „Experimentelle Untersuchung von Stofftransport und Fluiddynamik bei

Rieselfilmströmungen auf mikrostrukturierten Oberflächen“, Berlin, Techn. Univ., Diss.

Paschke, S., 2011: „Experimentelle Analyse Ein- Und Zweiphasiger Filmströmungen Auf Glatten Und

Strukturierten Oberflächen“ “, Berlin, Techn. Univ., Diss.

Repke, J. U., Ausner, I., Paschke, S., Hoffmann, A., & Wozny, G., 2007: „On the track to understanding three phases in one tower”, Chemical Engineering Research and Design, 85(1), 50-58.

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