Tropfen Partikel
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Lars Pasternak, Dipl.-Wirt.-Ing.
Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen, auf Basis experimenteller Messungen, die Grundlagen und Modelle für die Kollision und Beschichtung von freibeweglichen Feststoffpartikeln mit kleineren Tropfen entwickelt werden. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für nachfolgende numerische Berechnungen mit einem Euler/Lagrange Ansatz. Der entscheidende Vorteil, des speziell für dieses Forschungsprojektes neuentwickelten Versuchsstandes (Abb. 1) ist, dass die Tropfen-Partikel-Kollisionen in einem quasi instationären Zustand untersucht werden. Dies bedeutet, dass sowohl die Tropfen als auch die Einzelpartikel sich frei bewegen können und nur durch äußere Kräfte, z.B. Schwerkraft beeinflusst werden.
Mittels bildgebender Messverfahren werden die Kollision der Einzeltropfen innerhalb der Tropfenkette mit dem freifallenden Feststoffpartikel bei definierten Relativgeschwindigkeiten und Einzel-topfenabstand analysiert und das Kollisionsergebnis ermittelt. Für die Erfassung des Kollisionsvorganges werden hochauflösende Hochgeschwindigkeitskameras in Verbindung mit Hintergrundbeleuchtung eingesetzt, siehe Abb. 2 . Zusätzlich zur Visualisierung durch kontinuierlich getriebene Hintergrund LED-Felder, werden pulsfähige Laser und Hochleistungs-LEDs für Farbaufnahmen eingesetzt, siehe Abb. 3. Die ungesteuerte Bewegungsbahn der fallenden Partikel, erfordert zusätzlich ein positionsabhängiges Partikel-detektierungssystem zur automatischen Aufnahmesteuerung der Hochgeschwindigkeitskameras. Die Kollisionsergebnisse werden anschließend durch eine in der Arbeitsgruppe MPS weiterentwickelte Open-Source Bildanalysesoftware ausgewertet. Für alle relevanten Einflussparameter ist es erforderlich, zunächst den Ausgang der Kollision festzustellen und mit Hilfe der dimensionslosen Kennzahlen zusammenzufassen, z.B. durch den Zusammenhang mit der Ohnesorge-Zahl. Die zu untersuchenden Einflussgrößen sind das Größenverhältnis (Tropfen/Partikel), Tropfeneigenschaften (Viskosität, Oberflächenspannung), Auftreffgeschwindigkeit/ Relativgeschwindigkeit und insbesondere geometrische der Auftreffort des Tropfen auf dem Partikel. Bei den hier vorgesehenen Untersuchungen sind die Tropfen kleiner als die zu beschichtenden Partikel und die Flüssigkeit ist benetzend.
All diese Einflüsse gilt es bei der Abgrenzung der Kollisionsregime zu berücksichtigen und daraus entsprechende physikalisch basierte Korrelationen zu entwickeln.
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| Abb. 2: Bildsequenz eines 1100 µm Polystyrol Partikels, kollidierend mit 570 µm Maltodextrin Tropfen. | Abb. 3: Farbaufnahmen von Tropfen-Partikel-Kollisionen, mittels gepulstem Hintergrundlicht. |
Für das Regime Breakup wird zudem die entstehende Größenverteilung der erzeugten Feintropfen modelliert. Im Anschluss werden die Kollisionsergebnisse in einem B-We Diagramm (Abb. 4) zusammengefasst, welches die geometrischen Kollisionsbedingungen und Relativgeschwindigkeiten der Einzelkollision darstellt. Dabei erfolgt die Unterscheidung der einzelnen Kollisionsergebnisse speziell nach Rebouncing, Deposition und Breakup. Als finaler Schritt wird das deponierte Tropfenvolumen sowie die auf dem Partikel entstehende Flüssigkeitsschicht, Benetzungsgrad und Benetzungswinkel untersucht. Für die Entwicklung des Beschichtungsmodells werden diese Größen in Abhängigkeit der relevanten dimensionslosen Kennzahlen zusammen-gefasst und daraus eine auf physikalischen Werten basierte Korrelationen entwickelt. Die erhaltenen Modelle, welche einen umfangreichen Parameterbereich berücksichtigen, sollen so anschließend für eine Lagrangesche Berechnung von technischen Beschichtungsprozessen genutzt werden können.
