ISBN 9783843930413

978-3-8439-3041-3, Reihe Verfahrenstechnik

Thomas Sturz
Entwicklung und Charakterisierung pulsierter Antriebssysteme zur drucklosen Gegenstromführung

224 Seiten, Dissertation Technische Universität Dortmund (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die gegenläufige Förderung zweier flüssiger Phasen in konventionellen Gegenstromkontaktoren, beispielsweise zur Flüssig-Flüssig-Extraktion, unterliegt physikalischen Einschränkungen, wenn die beteiligten Phasen geringe Dichteunterschiede und/oder Grenzflächenspannungen aufweisen oder ein gegensinniger Druckaufbau unerwünschte Kurzschlussströmungen bewirkt. Als Alternative kann die Gegenstromkontaktierung zweier dünner, übereinander geschichteter Phasen dienen, die durch Übertragung einer, entlang der gesamten Phasengrenzfläche gleichmäßig verteilten, Schleppwirkung angetrieben werden und so eine Förderung ohne nennenswerten Druckverlust erfahren. Eine solche Schleppwirkung wird in dieser Arbeit durch Induzierung von Schleppströmungen in milli- und mikrostrukturierten Antriebssystemen aus dem Arbeitsfluid der jeweiligen Phasen erzeugt, indem diese einer periodischen Bewegung ausgesetzt werden. Bei anliegender Oszillation wird ein Bruch der Symmetrie benötigt, damit, trotz eines im zeitlichen Mittel verschwindenden Massenstromes, ein Impulstransfer erfolgen kann. Dieser Symmetriebruch kann geometrisch oder fluidmechanisch bedingt sein. Der geometrische Bruch der Symmetrie entsteht, wenn Kanäle mit charakteristischer Geometrie eingesetzt werden und sich durch Oszillation des Arbeitsfluids unterschiedliche Widerstände für Vor- und Rückströmung ergeben, wobei die weniger widerstandsbehaftete Strömungsrichtung bevorzugt wird. Eine Schleppströmung kann auch durch sogenannte "synthetische Wandstrahlen" hervorgerufen werden. Hierbei wird das Arbeitsfluid einer Oszillation an einer, in Strömungsrichtung geneigten, wandnahen Blendenöffnung ausgesetzt. Die Strömungsfelder der Quellen- und Senkenströmung unterscheiden sich signifikant, wodurch ein fluidmechanischer Symmetriebruch entsteht. Dem Umgebungsfluid wird demnach ein Netto-Impuls in Strömungsrichtung übertragen. Eine Vielzahl synthetischer Wandstrahlen hintereinander in einem Kanal erzeugt eine lineare Schleppströmung, die zur gegenläufigen Förderung zweier horizontal geschichteter Phasen genutzt werden kann.

In der vorliegenden Arbeit wird die Konzipierung und Entwicklung oszillationsbasierter, milli- bzw. mikrostrukturierter Antriebssysteme detailliert aufgeführt. Im Niederfrequenzbereich werden die Hydromechanik sowie charakteristische Eigenschaften des Förderverhaltens vorgestellt, bevor ein gänzlich druckloser Fluidtransport eingeleitet und der Betrieb als Gegenstromextraktor getestet wird.