Fundamentale theoretisch/experimentelle Charakterisierung der Strömungsmorphologie und des lokalen Wärmeübergangs im Dünnschichtverdampfer

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Systemverfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561285967

Durch die Verteilung von Flüssigkeitsfilmen auf beheizten Oberflächen wird in sogenannten Dünnschichtverdampfern die Aufreinigung hochviskoser, thermisch sensibler und hochsiedender Stoffe ermöglicht. Dadurch können produkt- und ressourcenschonende Aufreinigungs- und Recyclingverfahren realisiert werden. Allerdings führt die mechanische Beeinflussung des Flüssigkeitsfilms dazu, dass der Zusammenhang zwischen Strömungsmorphologie, Fluiddynamik und Wärmeübergang nur unzureichend erforscht sind, was in der Praxis ein Hemmnis bei der Anwendung und Weiterentwicklung von Dünnschichtverdampfern darstellt. In diesem Forschungsvorhaben wird dieser Fragestellung nachgegangen, indem die Strömungsmorphologie und ihr Einfluss auf den einphasigen Wärmeübergang an gewischten Oberflächen untersucht wird. Die Flüssigkeitsverteilung und der Strömungszustand in den Bereichen Bugwelle, Spaltzone und Film werden experimentell und simulativ in Abhängigkeit von betrieblichen, stofflichen und apparatespezifischen Parametern bewertet. Das Projekt zielt darauf ab, ein vertieftes Verständnis der Strömungsprozesse mit Wärmeübergang an gewischten Oberflächen zu erlangen, um Dünnschichtverdampfer (DSV) zu optimieren und den Betrieb effizienter zu gestalten. Die Ziele des Projekts sind die systematische Aufklärung der Fluiddynamik in der Bugwelle im DSV sowie die örtliche und zeitliche Auflösung des lokalen Wärmeübergangs unter Berücksichtigung der Fluiddynamik. Die Ergebnisse werden genutzt, um ein mechanistisches Modell zu entwickeln, welches die Fluiddynamik und die wesentlichen Wärmeübergangsmechanismen im DSV beschreiben kann. Hierfür werden numerische Simulationen mit experimentellen Untersuchungen kombiniert. Durch Versuche an einem aus Glas gefertigten DSV können fluiddynamische Größen, wie die Verweilzeitverteilung und der Flüssigkeits-Hold-Up ermittelt werden. Zusätzlich wird durch eine optische Beobachtung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera die Strömungsmorphologie aufgezeichnet und ausgewertet. Durch eine vollständige energetische Bilanzierung wird der einphasige, produktseitige Wärmeübergang bestimmt. Ergänzt werden die experimentellen Daten durch Simulationsdaten aus einer umfassenden numerischen Simulation eines Wischersegments. In den numerischen Simulationen wird die Bugwellengeometrie sowie die Interaktionen von Filmzone und Bugwelle untersucht und die Vermischung zwischen diesen beiden Zonen charakterisiert. Ergänzend wird der einphasige, produktseitige Wärmeübergang simuliert. Die Simulations- und Versuchsdaten werden während der gesamten Projektlaufzeit kontinuierlich miteinander abgeglichen, so dass eventuell ungültige Annahmen in der Simulation frühzeitig erkannt sowie eine optimale Versuchsdurchführung sichergestellt sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen