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

Schagen, André; Modigell, Michael; Bardow, André

doi:0945-1021

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

2015

VerantwortlichkeitsangabeAndré Schagen

ImpressumAachen : Shaker 2015

UmfangVIII, 118 S. : graph. Darst.

ISBN978-3-8440-3602-2

ReiheBerichte aus der Verfahrenstechnik

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University.

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Modigell, Michael (Thesis advisor) ; Bardow, André (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-08-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-021913
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466596/files/466596.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466596/files/466596.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Mechanische Verfahrenstechnik (416220)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Lumineszenz (frei) ; Diacetyl (frei) ; Rieselfilm (frei) ; Stofftransport (frei) ; effektiver Diffusionskoeffizient (frei) ; luminescence (frei) ; biacetyl (frei) ; mass transfer (frei) ; falling liquid films (frei) ; effective diffusion coefficient (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Enhanced heat and mass transfer in wavy liquid films is not clarified in detail. A laser-induced luminescence method is developed to investigate these phenomena experimentally. This method enables the non-invasive, inertia-free and simultaneous measurement of local film thickness and the distribution of a scalar field quantity in high spatio-temporal resolution. Biacetyl is used as luminescence indicator. Its fluorescence emission correlates with the film thickness. The decay of phosphorescence emission depends on the distribution of a transported scalar in the liquid film. Experiments are performed in excited laminar-wavy water films flowing down an inclined plane. Mass transfer is observed for the liquid side controlled absorption of molecular oxygen into liquid films. Bottom-side heated liquid films are used to look at the heat transfer. Even laminar-wavy liquid films flowing down a slightly inclined plane, show enhanced mass transfer compared to liquid films with smooth surfaces. Evaluations of measured data exhibit maxima of heat and mass transfer coefficients between wave hump front and capillary waves region in solitary waves. Minimal transfer coefficients are located beneath the wave humps. Higher transfer coefficients are found in the capillary waves regions. Fields of effective diffusion coefficients are calculated from measured concentration distributions. At the end of the hydrodynamic transitional region maxima occur below the liquid surface. In the hydrodynamic developed region the effective diffusion coeffient at the interface is higher than the molecular diffusion coefficient. Its value increases with higher Reynolds number. Within the first iteration of the structured working process model based experimental analysis a model is proposed which describes the fields of effective diffusion coefficients. By implementing such a model into appropriate design tools, falling liquid film apparatus can be designed efficient and more accurate than using integral design correlations.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)