Tropfenverdunstung im akustischen Levitator

Abstract

Tropfen und Tropfensprays spielen im Alltag in unterschiedlichen Bereichen eine essentielle Rolle, sei es in Injektoren für Motoren, gleichmäßig lackierte Oberflächen, beim Pflanzenschutz oder für Hygieneprodukte wie superabsorbierende Polymere und pharmazeutische Produkte. Die beiden zuletzt genannten Produkte der chemischen Industrie müssen aus ökonomischen und ökologischen Gründen immer effizienter und ressourcenschonender hergestellt werden. Zur Produktion solcher partikelförmiger Produkte vermag ein Sprühprozess die Zerstäubung einer Lösung, Suspension oder Dispersion, eine folgende chemische Reaktion, die Formgebung und Trocknung als Prozessintensivierung in einer Prozessstufe zu vereinen. Dies bietet den Vorteil einer hohen Flexibilität, führt jedoch zu der Herausforderung, viele Stellgrößen gleichzeitig mit hohem apparativem und ressourcenintensivem Aufwand optimieren zu müssen. Die akustische Levitation als Modellsystem für Sprühprozesse bietet hingegen die Möglichkeit, Einzeltropfen berührungslos zu positionieren und über einen definierten Zeitraum zu analysieren. Als Unterschied zum Sprühprozess besteht jedoch das akustische Kraftfeld, durch das die Gravitationskraft des Tropfens kompensiert wird. Eine Analyse dieses Feldes und der aus Druckunterschieden induzierten konvektiven akustischen Strömung ist damit essentiell, um das Übertragen der Stoff- und Wärmetransportvorgänge vom Levitator auf den Sprühturm sicherstellen zu können. Die vorliegende Arbeit bietet daher eine umfassende experimentelle Analyse einer Vielzahl von Einflussgrößen, wie den akustischen Schalldruckpegel und seinen Einfluss auf die Tropfendeformation, die Charakteristik der akustischen Strömung in Abhängigkeit von der Tropfenform, die Verdunstungsrate solcher Tropfen und deren Tropfentemperatur. Dazu wurde der Einfluss der in der Literatur lediglich empirisch gewählten Levitatoreinstellungen wie Amplitude der Sonotrode (Ampl), Abstand zwischen Sonotrode und Reflektor (h) und Volumenstrom einer externen Gaszufuhr (V ̇Luft) auf die Tropfendefor-mation, temperatur und verdunstung mittels statistischer Versuchsplanung (DoE) analysiert. Das akustische Druckfeld wurde mit der Software COMSOL® simulativ dargestellt und die resultierende akustische Strömung mit der Particle Image Velocimetry Technik (PIV) visualisiert. Mit den erhaltenen Strömungsmustern und Gasgeschwindigkeiten werden Aussagen über den Stoff- und Wärmetransport in Form von Reynolds-, Sherwood- und Nusselt-Zahlen zugänglich. Es erfolgt eine umfassende Analyse des Einflusses der Temperaturmessmethode mithilfe eines dünnen Thermoelements auf die tatsächliche Kühlgrenztemperatur des Tropfens. Es wurden eine große Zahl von Einflussfaktoren auf die Tropfeneigenschaften und verdunstung im akustischen Levitator untersucht, Zusammenhänge aufgezeigt und möglichst quantifiziert. Damit wurden die Unterschiede zum Sprühprozess detailliert aufgezeigt, was die Übertragung des Stoff- und Wärmetransportes der Tropfen ermöglicht. Weiterhin kann der Levitator damit zur Validierung von ab-initio Modellen zur Verdunstung verwendet werden, indem die Differenzen zwischen idealen Simulations- und realen, experimentellen Bedingungen bekannt sind. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit schaffen ein in der Literatur bislang noch nicht bekanntes Verständnis über die Zusammenhänge der Tropfendeformation und der akustischen Strömung im Levitator und deren Auswirkung auf die Tropfenverdunstung.

Drops and drop sprays play an essential role in everyday life in various areas, be it in injectors for engines, uniformly painted surfaces, plant protection or for hygiene products such as superabsorbent polymers and pharmaceutical products. For economic and ecological reasons, the latter two products of the chemical industry have to be manufactured more and more efficiently and in a resource-saving manner. For the production of such particulate products, a spraying process can combine the atomization of a solution, suspension or dispersion, a subsequent chemical reaction, shaping and drying as process intensification in one process stage. This offers the advantage of a high degree of flexibility, but leads to the challenge of having to optimize many control variables at the same time with high equipment and resource-intensive expenditure. Acoustic levitation as a model system for spraying processes, on the other hand, offers the possibility of containerless positioning of individual droplets and their analyzation over a defined period of time. The difference to the spraying process, however, is the acoustic force field, which compensates the gravitational force of the droplet. An analysis of this field and the convective acoustic flow induced by pressure differences is therefore essential to ensure the transfer of the mass and heat transfer processes from the levitator to the spray tower. Therefore, the present work offers a comprehensive experimental analysis of a large number of influencing variables, such as the acoustic sound pressure level and its influence on the drop deformation, the characteristics of the acoustic flow as a function of the droplet shape, the evaporation rate of such droplets and their droplet temperature. For this purpose, the influence of the levitator settings selected empirically in the literature, such as amplitude of the horn (Ampl), distance between horn and reflector (h) and volume flow of an external gas supply (V ̇Luft), on the drop deformation, temperature and evaporation was analyzed by means of design of experiments (DoE). The acoustic pressure field was simulated with the software COMSOL® and the resulting acoustic flow was visualized with the Particle Image Velocimetry technique (PIV). The resulting flow patterns and gas velocities provide information on mass and heat transport in the form of Reynolds-, Sherwood- and Nusselt-numbers. A comprehensive analysis of the influence of the temperature measurement method on the actual wet-bulb temperature of the droplet is performed with the aid of a thin thermocouple. A large number of influencing factors on the droplet properties and evaporation in the acoustic levitator were investigated, correlations were shown and quantified as far as possible. Thus the differences to the spraying process were shown in detail, which enables the transfer of the mass and heat transport of the droplets to the spray process. Furthermore, the levitator can be used to validate ab-initio models for evaporation by knowing the differences between ideal simulation conditions and real experimental conditions.4 The results of the present work provide a so far unknown understanding in the literature of the relationships between drop deformation and acoustic flow in the levitator and their effect on droplet evaporation.