Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Bestimmung ...

1. Einleitung
1. Einleitung 1
In vielen Apparaten der Verfahrenstechnik und der Energietechnik ist eine gas- oder dampfförmige
Phase in einer strömenden flüssigen Phase dispergiert. Typische Beispiele aus der
Verfahrenstechnik sind Gas-Flüssig-Reaktoren, z. B. Schlaufenreaktoren für Oxidationsreaktionen,
Fermenter für biotechnologische Prozesse oder Bodenkolonnen zur Trennung von
Stoffgemischen. In der Energietechnik werden Verdampfer in konventionellen und nuklearen
Kraftwerken sowie Dampf-Flüssig-Direktwärmetauscher eingesetzt. Für die wirtschaftliche
Auslegung dieser Apparate und die Optimierung des erzielten Stoff- und Wärmeaustausches
ist die genaue Kenntnis des Strömungsfeldes notwendig. Für die in dieser Arbeit untersuchten
Rohrströmungen können zur ersten groben Beschreibung des Strömungsfeldes Gas-Flüssigkeits-Rohrströmungen
so genannte Strömungsformenkarten verwendet werden. Typische
Strömungsformen sind Blasen-, Pfropfen-, Ring-, Schichten- und Tropfenströmungen, deren
Einteilung meist auf visueller Beobachtung basiert. Der Schwerpunkt der vorliegenden
Arbeit liegt im Bereich der Blasenströmung bis hin zum Übergang zur Pfropfenströmung.
Dies entspricht etwa maximalen Gasvolumenanteilen von 20 bis 30 Prozent.
Eine sehr genaue, aber auch rechnerisch aufwändige Berechnung des Geschwindigkeits-,
Druck und Temperaturfeldes einer Zweiphasenströmung erlauben computergestützte Verfahren
wie CFD (Computational Fluid Dynamics) mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.
Hierbei werden die Massen-, Impuls-, und Energieerhaltungsgleichungen für diskrete
Volumenelemente und jede Phase aufgestellt und gelöst. Eine auf einer Euler/Euler-
Beschreibung des Strömungsfeldes basierende Methode ist das Zwei-Fluid-Modell nach Ishii
[52]. An der Phasengrenze kommt es zum Austausch von Masse, Impuls und Energie, der
durch geeignete Transferterme bestimmt werden muss. Die Formulierung dieser Transferterme
ist aufgrund der vielfältigen Strukturen von Zweiphasenströmungen mit großen Unsicherheiten
verbunden und Gegenstand der Forschung. Die vorliegende Arbeit soll dahingehend
einen Beitrag leisten, Berechnungsansätze für die Phasengrenzfläche, die für die
genaue Bestimmung der Transferterme notwendig ist, weiterzuentwikkeln.
Die Größe der Phasengrenzfläche lässt sich in Blasenströmungen aus der Blasengrößenverteilung
des dispergierten Gases und der Form der Blasen bestimmen. Dabei ist die Blasengrößenverteilung
in technischen Apparaten zeitlich und räumlich veränderlich. Wichtige
Mechanismen, die zu einer Änderung der Blasengrößenverteilung führen, sind: Entstehung
oder der Kollaps von Blasen, Koaleszenz (das Zusammenfließen von Blasen), Zerfall durch
angreifende Strömungskräfte, Stoffübergang zwischen kontinuierlicher und disperser Phase
sowie Druck- und Temperaturänderungen.
Mathematisch kann diese Änderung über die Populationsbilanz beschrieben werden. Die formelle
Aufstellung der Quell- und Senkenterme, welche die o.g. Vorgänge berücksichtigen,
und die mathematischen Lösungsmöglichkeiten der Populationsbilanz sind Gegenstand
umfangreicher Untersuchungen in der Literatur. Insbesondere für turbulente Blasenströmungen
mit Koaleszenz und Zerfall existieren aber noch offene Fragestellungen, die im Rahmen
dieser Arbeit bearbeitet werden. Die durchgeführten Untersuchungen umfassen insbesondere
die experimentelle Untersuchung und Validierung von Berechnungsverfahren für die Koaleszenz-
und Zerfallsraten in turbulenten Blasenströmungen.