Numerische Untersuchung der Flüssigkeitstopologie in strukturierten Packungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Untersuchung der Flüssigkeitstopologie in strukturierten Packungen mittels CFD-Methoden. Das open-source Softwarepaket OpenFOAM wurde verwendet, um das Benetzungsverhalten innerhalb von strukturierten Packungen anhand von periodischen Elementen zu untersuchen. Die vernünftige Vergitterung der Geometrien der Mikrostrukturen als auch die Vergitterung der periodischen Elemente stellte die größte Herausforderung in diesem Projekt dar. Die mikrostrukturierten Oberflächen benötigen eine feine Auflösung, erzeugen aber stark verzogene Zellen, so dass hier viel Zeit investiert werden musste, um Rechengitter zu erzeugen, die stabile zweiphasige Simulationen ermöglichten. Zunächst wurden einzelne Mikrostrukturen mit Mikroskopen vermessen, um sie mit Hilfe von CAD Software geometrisch abbilden zu können. Mit diesen geometrischen Abbilden wurden Simulationen von Tropfen auf horizontalen Packungsblechen und Simulationen von Rinnsalen auf geneigten Platten durchgeführt und mit den jeweiligen experimentellen Aufnahmen verglichen. Diese Vergleiche zeigten, dass die lokale geometrische Abbildung der Mikrostrukturen notwendig und das Simulationssetup geeignet ist, um den Einfluss der Mikrostrukturen auf die Flüssigkeitsströmung und damit das Benetzungsverhalten darzustellen. Diese Simulationen zeigten weiter, dass neben der Höhe der Mikrostruktur besonders ihre Orientierung gegenüber der Fließrichtung ausschlaggebend für ihren Einfluss auf die Flüssigkeitsströmung ist. In den nächsten Schritten wurden Simulationen des Benetzungsverhaltens auf einzelnen Packungsblechen und mit periodischen Elementen für die Strömung zwischen zwei Packungsblechen durchgeführt. Hierbei wurden die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit (Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung und Kontaktwinkel), die Gasbelastung, die Art der Mikrostruktur, die Orientierung der Mikrostruktur, der Packungswinkel und die Packungsgröße variiert. Drei Strömungsbereiche innerhalb von strukturierten Packungen wurden durch diese Variationen identifiziert, welche sowohl von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit als auch von den Betriebsbedingungen und den geometrischen Eigenschaften der Packung abhängig sind. Diese Untersuchungen zeigen die Vor- und Nachteile, die der jeweilige Strömungsbereich mit sich bringt und verdeutlichen, dass allein durch Variation der Mikrostruktur oder ihrer Orientierung der vorliegende Strömungsbereich beeinflusst werden kann. Mikrostrukturen können somit gezielt eingesetzt werden, um die Größe der Phasengrenzfläche zu erhöhen oder den Druckverlust in der Packung zu senken. Die Variation der Mikrostruktur bietet daher das Potential das Benetzungsverhalten in Abhängigkeit der Betriebseigenschaften zu optimieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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CFD-based investigation of the packing microstructure influence on droplet behavior and film flow. Proc. 12th Conf. Distillation & Absorption, Toulouse
Dechert, C. & Kenig, E. Y.
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Untersuchung von kleinskaligen Flüssigkeitselementen auf mikrostrukturierten Packungsoberflächen. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, Frankfurt
Dechert, C. & Kenig, E. Y.
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Untersuchung der Wirkung verschiedener Mikrostrukturen auf die Flüssigkeitsausbreitung auf geneigten Platten. Jahrestreffen der DECHEMA-Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, Frankfurt
Dechert, C., Kengni Nkouemou, A. & Kenig, E. Y.
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CFD-based investigation of the efficiency enhancement due to microstructure reorientation in structured packing. Proc. 34th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, Florence
Dechert, C. & Kenig, E. Y.
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Der Einfluss von Mikrostrukturen auf die Flüssigkeitsausbreitung in strukturierten Packungen. Jahrestreffen der DECHEMA-Fachgruppe Fluidverfahrenstechnik, Frankfurt
Dechert, C. & Kenig, E. Y.
