Einfluss des Reaktordrucks auf die Sprayguete aussenmischender Zweistoffduesen

Tobias Jakobs
2015
Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für technische Chemie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), in den Jahren 2007 bis 2015. Bei allen, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben, möchte ich mich an dieser Stelle herzlich bedanken. Bei meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Thomas Kolb bedanke ich mich für sein mir entgegengebrachtes Vertrauen. Bei den Diskussionen meiner Messergebnisse, verstand er es mir
more » ... noch einen weiteren Blickwinkel auf die Dinge zu vermitteln und so wichtige Zusammenhänge richtig einzuordnen. Herrn Prof. Dr.-Ing. Nikolaos Zarzalis danke ich für die bereitwillige Übernahme des Korreferats und die vielen interessanten Diskussionen, für die er sich immer Zeit nahm. Es war für mich ein besonderes Privileg als Ingenieur ohne Berufserfahrung direkt nach dem Universitätsabschluss eine Versuchsanlage im halbtechnischen Maßstab planen und aufbauen zu dürfen. Dies hätte ich ohne die Mithilfe vieler Kollegen nicht geschafft. Den Herren Walther, Dillmann, Zeidler, Kaden und Reis danke ich für die technische Unterstützung während des Anlagenauf-und Umbaus. Für die große Hilfe bei der Programmierung des Prozessleitsystems möchte ich Hrn. Depta vom Institut für angewandte Informatik danken. Ohne kompetente EDV-Unterstützung wäre der Betrieb der gesamten Messtechnik nicht möglich gewesen, hierfür danke ich Hrn. Reichert und Fr. Winzer. Auch viele Studenten haben in Form von Projektberichten, Studien-, Bachelor-und Diplomarbeiten zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen, namentlich möchte ich hier die Herren Griesbaum, Bergdolt und Schwarzer sowie Frau Bär und Frau Schmid nennen. Meinen Kollegen Herrn Gehrmann, Frau Fleck, Frau Santo und den Herren Sänger, Stösser, Hotz und Böning danke ich für viele aufbauende Worte und interessante Diskussionen. Ein großer Dank geht an Frau Dr.-Ing. Neda Djordjevic. Sie hat durch unzählige fruchtbare Diskussionen und das Korrekturlesen meiner Arbeit maßgeblich zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen. Besonders bedanken möchte ich mich bei meiner Frau, meinen Eltern und meinem Bruder. Sie verstanden es mich in dieser für mich teilweise sehr schwierigen und anstrengenden Zeit so zu unterstützen, dass ich nie den Mut verlor und meine Ziele nicht aus den Augen verlor. Vielen Dank! Tobias Jakobs Bruchsal, April 2015 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Reaktordrucks auf die Spraygüte außenmischender Zweistoffdüsen untersucht. Aus der Literatur sind dazu nur wenige Studien bekannt, darüber hinaus wird der Einfluss unterschiedlich beschrieben. Zur Durchführung systematischer Sprayuntersuchungen bei variierendem Reaktordruck wurde das neue Pressurized Atomization Test Rig -PAT geplant, aufgebaut und in Betrieb genommen. Alle Sprayversuche wurden mit derselben außenmischenden Zweistoffdüse bei variierenden Drücken bis 21 bar durchgeführt. Hierbei wurden radiale SMD-Profile mit einem Phasen Doppler Anemometer (PDA) aufgenommen. Zusätzlich wurde der Primärzerfall mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera untersucht. Zur qualitativen Bestätigung der PDA Messungen wurde ein Shadowsizer eingesetzt. In der Literatur wird übereinstimmend die aerodynamische We-Zahl als wichtigste Kennzahl der Zerstäubung beschrieben. Aus diesem Grund wurde in einer ersten Versuchsreihe We aero bei variierendem Reaktordruck und konstantem Flüssigmassenstrom konstant gehalten. Hierbei wurde eine Zunahme der Tropfengröße mit steigendem Reaktordruck festgestellt. Ebenso wurde eine Änderung des Primärzerfallsmodus festgestellt. Liegt dieser bei We aero = 500 und einem Druck von 1 bar noch im Superpulsating-Bereich, wechselt dieser bei We aero = 500 und einem Druck von 21 bar in den Fiber-type Bereich. Die Verwendung derselben Düse bei konstanter We-Zahl und variierendem Reaktordruck führt zu einer Abnahme der Gas-und damit Relativgeschwindigkeit zwischen Gas-und Flüssigphase bei steigendem Druck. Aus diesem Grund wurde in einer zweiten Versuchsreihe die Gasgeschwindigkeit bei variierendem Reaktordruck konstant gehalten. Dies führte zu druckunabhängig konstant großen Tropfen im Spray. Abschließend wurden eine vereinfachte energetische Betrachtung der Zerstäubung, unter Verwendung der experimentellen Daten, zur Aufstellung eines semiempirischen Modells zur Vorhersage des SMD genutzt. Abstract The present work is focused on the detailed investigation of the influence of ambient pressure on spray quality using external mixing twin fluid atomizers. The influence of ambient pressure on spray quality is reported inconsistent in literature, nevertheless detailed investigations are scarce. To do systematic investigations at various ambient pressure the new Pressurized Atomization Test Rig -PAT was designed and put into operation. All atomization experiments were performed using the same external-mixing twin-fluid atomizer and varying reactor pressure up to 21 bar. Radial SMD-Profiles were measured using a Phase Doppler Anemometer (PDA). Additionally, primary jet breakup was investigated using a high speed camera. To qualitatively prove the PDA results a photo optical Shadowsizer was used to estimate the size range of the droplets. As aerodynamic We-number is reported as the most relevant characteristic number for the description of atomization in literature, the first set of experiments was performed for constant We-number, constant liquid mass flow and varying ambient pressure. Keeping the We-number constant and increasing reactor pressure an increase in drop size was detected. Furthermore the mode of primary breakup changes for constant We-number and increasing reactor pressure. For We aero = 500 and pressure of 1 bar primary breakup is in the so called Superpulsating regime, whereas it shifts for 21 bar and We aero = 500 to fiber type breakup regime. Knowing about the fact that keeping We-number constant and increasing reactor pressure leads to a decrease of gas and thus relative velocity between gas and liquid phase, a second set of experiments was performed keeping the gas velocity constant. Those experiments resulted in constant drop size independent from ambient pressure. Finally the results were used to generate a semi-empirical model for prediction of SMD, based on a simplified theoretical energy consideration.
doi:10.5445/ir/1000048862 fatcat:dhj4ty2g6bcfdidxyhjppes6r4