Entwicklung einer Messmethode zur Bestimmung der Gemisch-Zusammensetzung und Flüssigphasentemperatur in Sprayprozessen (MEGA-Spray)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lars Zigan
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570908459

In diesem Vorhaben wird eine Messtechnik entwickelt zur gleichzeitigen Bestimmung von Temperatur und Zusammensetzung von Tropfen in Sprühprozessen. Beide Größen können sich während der Verdampfung ändern und die nachfolgenden Prozesse beeinflussen. Eingesetzt werden „grüne Lösungsmittel“ wie Ethanol und Wasser sowie Gemische daraus, die für vielfältige energie- und verfahrenstechnische Sprühprozesse relevant sind. Dies umfasst beispielsweise die Sprühkühlung elektrischer Komponenten sowie die Herstellung von pulverförmigen Lebensmitteln oder pharmazeutischen Produkten durch Sprühtrocknung. Die Einspritzung von (wasserhaltigem) Ethanol ist ferner für Kraftstoffzusätze in direkteinspritzenden Ottomotoren oder als Lösungsmittel für die Partikelsynthese z.B. bei der Flammensprühpyrolyse relevant.Die Messtechnik basiert auf der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) und den beiden Farbstoffen Fluorescein-Natriumsalz (FL) und Sulforhodamin (SRh) für die Bestimmung der Flüssigphasentemperatur über eine 2-Farben Methode (2C-LIF). Die Messmethode wird um einen zusätzlichen Farbkanal zu einer 3C-LIF Technik erweitert, um die Gemischzusammensetzung in Zweikomponenten-Systemen bildgebend durch ein weiteres Signalverhältnis zu bestimmen. Darüber hinaus werden spektroskopische Punktmessungen durchgeführt. Neben der Temperatursensitivität der Signale in unterschiedlichen Gemischen werden auch Störeinflüsse wie Druck, Farbstoffkonzentration und Laser-Energiedichte analysiert. Die Kalibrierung der LIF-Technik erfolgt mit Hilfe eines Tropfengenerators, wobei die Gemischzusammensetzung und die Tropfentemperatur variiert werden. Mit diesen Messungen werden die unerwünschten Einflüsse auf die Kalibrierung der 3C-LIF Methode im Detail bestimmt und rechnerisch korrigiert. Ein wichtiges Ziel ist die Realisierung von Messungen bei erhöhter Verdampfungsrate, speziell bei hohen Tropfentemperaturen, bei welchen auch eine präferentielle Verdampfung auftreten kann. Es werden gleichzeitige Messungen der Tropfentemperatur und der Gemischzusammensetzung unter technisch relevanten Bedingungen im Spray durchgeführt. Für die makroskopische Messung im Spray soll dafür die SLIPI-Methode (Structured Light Illumination Planar Imaging) zum Einsatz kommen, um Störsignale der Mehrfachstreuung in dichteren Sprayregionen zu minimieren. Das Potential der erweiterten 3C-LIF Technik wird in einem optisch dichteren Spray bei gesteigertem Umgebungsdruck und Temperaturen untersucht. In einer Parameterstudie unter variierten Randbedingungen werden erstmals simultane Messungen der Tropfenzusammensetzung und Temperaturen spektroskopisch und bildgebend im Einzelschuss durchgeführt und Betriebspunkte und Spraybereiche mit präferentieller Verdampfung identifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen