Untersuchung der Verdampfungskinetik von Multikomponententröpchen

Im Rahmen eines von der Europäischen Kommission finanzierten Projekts wurde die Verdampfungskinetik von Multikomponententröpfchen umfassend untersucht, um damit einen besseren Einblick in das Verhalten flüssiger Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren liefern zu können. Die interessanten Ergebnisse werden sich den Erwartungen zufolge außerdem für die Anwendung in anderen technischen Prozessen als nützlich erweisen. Dazu gehört zum Beispiel die Sprühnebeltrocknung, die in der chemischen und pharmazeutischen Branche umfassend angewendet wird.

Im Rahmen des DIME-Projekts haben Forscher ein neues Verfahren entwickelt, um die Eigenschaften der Tropfen von Multikomponentenflüssigkeiten während der Verdampfung unter wohl definierten Bedingungen untersuchen zu können. Mit Hilfe eines akustischen Levitators für die Positionierung von einzelnen Tröpfchen sowie einer Bildbearbeitungstechnik haben sie das Verdampfungsverhalten/verhältnis von Multikomponentenflüssigkeiten gemessen. Dieses Verfahren wird sich wahrscheinlich als ein sehr nützliches Instrument zur Analyse des Massenübertragungsverhaltens von solchen Tröpfchen erweisen, die in einem extrem heißen, gasförmigen Umgebungsmedium verdampfen.

Im Rahmen einer Reihe von Experimenten mit verschiedenen Flüssigkeitströpfchen einschließlich reiner Flüssigkeiten, Zweikomponentenmischungen oder Multikomponentenmischungen wurden Daten erhoben. In der daraus abgeleiteten Datenbank werden die Verdampfungsverhältnisse dieser flüssigen Tröpfchen als Funktionen der physischen und thermodynamischen Anfangs- und Grenzbedingungen beschrieben. Hieraus geht hervor, dass das Verdampfungsverhältnis von reinen Flüssigkeiten sowie von Zwei- als auch Multikomponentenflüssigkeiten während des Lebenszyklus des Tröpfchen vermehrt variieren kann.

Abgesehen von den experimentellen Daten haben die Forscher außerdem ein Modell zur Quantifizierung des Verdampfungsverhaltens/der Verdampfungskinetik der Tröpfchen von Multikomponentenflüssigkeiten unter verschiedenen Bedingungen entwickelt. Auf Grundlage eines anderen Modells (Abramzon and Sirignano 1987) bietet dieses Modell ein Instrument zur realistischen Beschreibung von Multikomponentenflüssigkeiten mit bis zu 10 Komponenten. Die von diesem Modell abgeleiteten Computerdaten zeigten eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den vorherigen experimentellen Daten.

Beim Kontakt mit extrem heißen und stark geschwungenen festen Oberflächen lösen sich die flüssigen Tröpfchen auf. Dieser Spritzeffekt auf den Sprühnebel wurde auch untersucht. Die angemessene Einschätzung des Spritzvermögens von Tröpfchen führte zur Quantifizierung der Auswirkungen von Kraftstoffsprühnebeln auf die verschiedenen Bereiche von festen Oberflächen. Diese Quantifizierung wird die Prognosemodelle für das Verhalten von Kraftstoffsprühnebeln innerhalb von Verbrennungsmotoren wahrscheinlich optimieren und den Erwartungen zufolge bedeutende wirtschaftliche Einsparungen sowie eine Verbesserung der Produktqualität nach sich ziehen.