Realisierung hoher Selektivitäten und kinetisch kontrollierter Verbrennungsprozesse durch die effiziente Gemischaufbereitung in Mikrosystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die effiziente Vermischung von Fluidströmen mit deutlich unterschiedlichen Volumen- bzw. Massenströmen, wie sie z.B. für die Vorvermischung von Brenngasen nötig ist, stellt gegenüber der Vermischung symmetrischer Ströme zusätzliche Anforderungen an den Mischapparat. Insbesondere bei passiven, durch Inertialkräfte angetriebenen Mikromischern lassen sich sehr kurze Mischzeiten unter diesen Bedingungen nur realisieren, wenn der schwächere Fluidstrom rasch in den Kernbereich der Mischzone gebracht wird. Dies lässt sich, bei vertretbarem technologischem Aufwand, durch die orthogonale Injektion des schwächeren in den stärkeren Fluidstrom am besten bewerkstelligen. Obwohl die Querstrominjektion schon seit Jahrzehnten systematisch hinsichtlich ihrer strömungsmechanischen Eigenschaften untersucht wird, liegt der Schwerpunkt der Veröffenflichungen zu diesem Thema bislang bei turbulenten Strömungen mit Reα >> 1000. In diesem Bereich hängen die wesentlichen Merkmale des Strahls - Trajektorie und primäres Wirbelpaar - nicht mehr von der Reynolds-Zahl ab. Daher sind in der Literatur auch keinerlei Angaben zum, für die Injektion in einen beschränkten Querstrom entscheidenden, kritischen Geschwindigkeits- bzw. Impulsverhältnis zu finden. Ohne Kenntnis dieser Größe jedoch ist die zielgerichtete Konstruktion komplexer, parallelisierter oder kaskadierter Injektions- Mikromischer nicht möglich. Von diesen Parametern hängen nicht nur Trajektorie und Wirbelbildung ab, sondern auch Druckabfall und Wärmeübergang bei beschränktem Querstrom. Da aber trotz der Vielzahl an Experimenten auf diesem Gebiet kaum Messwerte für niedrige Reynolds-Zahlen existieren, zeigte sich nach Projektbeginn sehr bald, dass eine systematische Untersuchung des einzelnen Injektionselementes unerlässlich für die langfristig angestrebte Konstruktion hochparalleler Mikromischer für Flüssigphasen- und Gasphasenprozesse ist. Die numerische Simulation ist hierfür ein mächtiges Werkzeug. Sie kann jedoch die benötigten Daten alleine nicht zur Verfügung stellen, vor allem da immer noch nicht abschließend geklärt ist, welche Mechanismen genau zur Bildung des Primärwirbels führen und welche - von der Reynoldszahl abhängigen Effekte - die Trajektorie in der Praxis beeinflussen. Daher wurden anstatt des Gesamtsystems zunächst die Grundelemente, bestehend aus geraden Mikrokanälen mit rechteckigem Querschnitt und einer bis sechs Injektionsdüsen mit kreisrundem, elliptischem oder rechteckigen Querschnitt experimentell charakterisiert. Die Strukturen wurden in der am Institut verfügbaren Sillzium-Bulk-Mikrotechnik gefertigt. Aufgrund fehlender Erfahrungswerte mit der Fertigung von Kanal/Düsen-Kombinationen mit hohen Aspektverhältnissen gestaltete sich die Prozessentwicklung leider aufwändiger als geplant. Die experimentelle Charakterisierung der Grundelemente erfolgte ausschließlich in der Flüssigphase. Die im ursprünglichen geplanten Untersuchungen in der Gasphase konnten nicht durchgeführt werden. Als Konsequenz wurde der Schwerpunkt der Forschungsarbeit auf die Untersuchung des Mikromischer-Grundelementes, sowohl durch Simulation als auch durch experimentelle Untersuchungen, gelegt. Hierfür wurde die Untersuchung in der Flüssigphase herangezogen, da sie am Lehrstuhl etabliert ist und den einfacheren Zugang zu experimentellen Daten bietet. Für die experimentelle Charakterisierung wurden neue Messverfahren mit hoher Orts- und Zeitauflösung entwickelt, die ein vorhandenes konfokales Lasermikroskop mit geringer Modifikation nutzen. Als Ergebnis des Projektes können Aussagen über die grundsätzlichen Strömungsprofile von Injektions-Mikromischern getroffen werden. Für eine optimale Durchmischung bei variablem Mischungsverhältnis ist die Injektion im Kernströmungsmodus anzustreben. Nur hierbei bildet sich ein gegenläufiges Wirbelpaar aus, das einen Mischeffekt hervorruft. Die Herstellung dieser Kernströmung bedarf eines kritischen Verhältnisses Rc der Reynoldszahlen von Jet und Hauptstrom. Diese Kennzahl wurde für den untersuchten Mikro-Injektionsmischer analytisch und numerisch abgeleitet und im Experiment bestätigt. Ebenso konnte gezeigt werden, dass - und wie - das Verhalten des Mikro-lnjektionsmischers und der gefundenen Kennwerte durch die Düsengeometrie beeinflusst wird. Es kann Insbesondere über das Design der Düsen der Arbeitsbereich des Mischers gezielt variiert werden. Damit ist beispielsweise denkbar, über das gezielte Ansteuern unterschiedlicher Düsen ein dynamisch variables Mischverhalten einzustellen. Das Unter- und Überschreiten des Kernströmungsbereiches führt zur Kriechströmung bzw. zur Prallströmung. Diese beiden Strömungsregimes sind kaum geeignet, eine effiziente Durchmischung zu erzeugen. Sie eignen sich jedoch im Gegenzug dazu, durch einfache Anpassung der Reynoldszahl einen Mischprozess zu unterdrücken. Bei Verbrennungsprozessen würde dies beispielsweise einem kurzzeitigen Abschalten des nachgeschalteten Brennvorganges entsprechen. Ebenso wird durch den geänderten Wandkontakt der Wärmeaustausch deutlich variiert. Dies führt beispielsweise zum Konzept eines „schaltbaren Wärmetauschers", ebenso wie zur Idee eines „schaltbaren Mikroreaktors", der je nach Reynoldszahl der einströmenden Flüssigkeit eine chemische Reaktion an einer heißen oder katalytisch beschichteten Kanalseitenwand ermöglicht bzw. diese wieder sehr schnell, durch Kontakt mit der kalten bzw. katalytisch neutralen Gegenwand stoppt. Obgleich die entsprechende Charakterisierung, wie bereits mehrfach erläutert, in der Flüssigphase stattfand, ergeben sich daraus Erkenntnisse, die eine Anwendung in der Gasphase vorbereiten. Ebenso wird mit dieser kurzen Zusammenfassung verdeutlicht, dass die grundlegenden Erkenntnisse des Vorhabens ein vielfaches PotentiaI für die Applikaflon von Injektionsmischern in der Mikroverfahrenstechnik, somit nicht nur für Verbrennungsprozesse, aufzeigen. Die Anwendung der Querstrominjektion im Bereich der Wärmeübertragung erfordert detaillierte experimentelle Untersuchungen des lokalen Wärmeübergangs in der unmittelbaren Umgebung des Prallpunktes, die bisher nicht erfolgt sind. Die Integration kleiner Thermoelemente zur Bestimmung der Temperatur bzw. des Wärmestromes wird daher als nächster Schritt eines grundlagennahen Projektes angestrebt. Darüber hinaus erlauben die im Rahmen des Projektes gewonnen Grundlagenerkenntnisse zur Querstrominjektion in abgeschlossenen Mikrokanälen, hier vor allem zum Einfluss von Geometrie und dimensionslosen Strömungsparametern auf die Trajektorie und Strömungsform, nun die systematische Untersuchung kombinierter, kaskadierter und schaltbarer Mikromischer. Die Anwendung der erarbeiteten Prinzipien im Kontext effizienter Mikromischer für hohe Durchsätze stellt daher einen Schwerpunkt zukünftiger Forschungsarbeiten des Lehrstuhls auf dem Gebiet der Mikroreaktionstechnik dar. Neben den bereits dargestellten Nutzungsfeldern „Mischen" und „Wärmeübertragung" wurde im Rahmen des Projektes festgestellt, dass sich die Querstrominjektion bei geeigneter Auslegung auch zur Fluidsensorik einsetzen lässt. Das charakteristische Verhalten des transversalen Strahls in Abhängigkeit von R und ReD erlaubt z.B. die Bestimmung der Querstromgeschwindigkeit oder der Viskosität des Fluides.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Mikrostrukturierte Apparate zur Synthese von Nanopartikeln. 24. GVC/DECHEMA Jahrestagung, 2006. Zusammenfassung in: Chemie Ingenieur Technik, Vol 78(9), 1354
N. Kockmann, J. Kastner, S. Dreher, P. Woias, R. Wengler, H. Nirschl, M. Heim, G. Kasper
- Numerical and experimental study of nanoparticle precipitation in microreactors. Proc. 2nd Int. Conf. Transport Phenomena, 2006
N. Kockmann, J. Kastner, P. Woias
- Reactive Particle Precipitation in Liquid Microchannel Flow. Proc. IMRET9, 2006, No. 1085
N. Kockmann, J. Kastner, P. Woias
- Vermischung in Mikrosekunden in Mikrostrukturapparaten. 24. GVC/DECHEMA Jahrestagung, 2006. Zusammenfassung In: Chemie Ingenieur Technik, Vol 78(9), 1201
J. Kastner, N. Kockmann, S. Dreher, M. Engler, P. Woias
- Reactive Precipitation in Microchannels - Impact of convective Mixing on Particle Formation. Proc. 5th Int. Conf. on Nanochannels, Microchannels and Minichannels, 2007, ICNMM2007-30035
J. Kastner, S. Fedier, N. Kockmann, P. Woias
- Strömungsmodi und Vermischung in Mikrokanälen mit Injektionsdüsen. 25. GVC/DECHEMA Jahrestagung, 2007, PI.14
J. Kastner, N. Kockmann, P. Woias
- Transport Phenomena in Micro Process Engineering. Springer, Berlin, 2007. Habilitationsschrift, Albert-Ludwigs-Universität-Frelburg
N. Kockmann
- Transport Processes and Exchange Equipment. In: N. Kockmann (Hrsg.), Micro Process Engineering, Springer, Berlin, 2007, 71-114
N. Kockmann
- Reactive particle precipitation in liquid microchannel flow. Chemical Engineering Journal, Vol 135S, 2008, S110-S116
N. Kockmann, J. Kastner, P. Woias
- Transverse Jets in Confined Laminar Micro Crossflow. Proc. 6th Int. Conf. on Nanochannels, Microchannels and Minichannels, 2008, ICNMM2008-62242
J. Kastner, P. Woias
- Convective Mixing and Reactive Precipitation of Barium Sulfate in Microchannels. Heat Transfer Engineering, Vol. 30(1), 2009, 148-157
J. Kastner, N. Kockmann, P. Woias
