ISBN 978-3-8439-1721-6

978-3-8439-1721-6, Reihe Verfahrenstechnik

Katharina Kelemen
Inline-Messung des Tropfenaufbruchs in Hochdruckblenden: Möglichkeiten und Limitierungen der uPIV

188 Seiten, Dissertation Karlsruher Institut für Technologie (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Emulsionen finden in verschiedensten Produkten der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie ihre Anwendung. Die Eigenschaften dieser Produkte werden entscheidend durch die Größenverteilung der Tropfen beeinflusst. Um Tropfengrößen insbesondere im submikronen Bereich zu erhalten, kommt unter anderem die Hochdruckhomogenisation zum Einsatz. Hierbei wird eine Rohemulsion typischerweise mit einem Druck von einigen hundert bar durch eine Zerkleinerungseinheit, im einfachsten Fall eine Lochblende, gefördert. Die im Strömungsfeld entstehenden Spannungen vor, in und hinter der Blende deformieren die Tropfen und brechen sie schließlich auf.

Trotz jahrzehntelanger Forschung und industrieller Anwendung der Hochdruckhomogenisation sind die vorliegenden Strömungsphänomene, die daraus resultierenden Spannungen auf die Tropfen, sowie die Tropfenaufbruchmechanismen noch nicht im Detail beschrieben. Dies liegt u.a. daran, dass das hochkomplexe Strömungsfeld im Nachlauf der Blende, hohe Prozessdrücke und Strömungsgeschwindigkeiten großen Anforderungen an die Messtechnik stellen. Zudem sind die zu betrachtenden Geometrien sehr klein und Emulsionen aufgrund eines hohen Anteils an Tropfen mit einem von der kontinuierlichen Phase abweichenden Brechungsindex nicht durchsichtig.

In der Arbeit wird gezeigt, wie mithilfe einer speziell angefertigten optisch zugänglichen Blende und der optischen Strömungsmesstechnik Micro Particle Image Velocimetry (µPIV) die vorliegende Strömung in den Zonen vor, in und hinter der Blende untersucht werden kann. Mit den erhaltenen Strömungsfeldern der einphasigen Strömung werden die für den Tropfenaufbruch relevanten Spannungen ermittelt. Die Strömung wird zusätzlich mit einer integralen Messmethode charakterisiert. Anschließend wird bei ausgewählten Strömungsbedingungen das Verhalten der Tropfen einer Modell-Emulsion bei Ihrer Passage durch die Blende visualisiert. Die Deformation und der Aufbruch einzelner Tropfen in diesen Strömungen werden im Rahmen der Möglichkeiten des µPIV dargestellt und in Bezug auf bekannte Tropfenaufbruchmechanismen diskutiert. Abschließend werden die offline mittels Laserbeugung erhaltenen Tropfengrößenverteilungen mit den an Einzeltropfen beobachteten Phänomenen verglichen, um Erkenntnisse über die Mechanismen bei der Tropfenzerkleinerung in Hochdruckblenden zu gewinnen.