Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Durchflussküvette für die Nutzung der statischen Extinktionsmethode als Inline-Messverfahren für mittlere Partikelgrößen und Partikelkonzentrationen von Emulsionen und Suspensionen entworfen.
Ziel war es, einen geringen statischen Druckverlust über der Apparatur, ohne maßgebliche Einbußen in der Messgenauigkeit, zu erzielen. Im Zuge der Konstruktion wurden zur Festigkeits- bzw. Verformungsanalyse ein FEM-Modell in NX Nastran© und zur Analyse der Strömungsverhältnisse und Partikelbahnen ein Simulationsmodell in ANSYS Fluent erstellt. Um den Druckabfall über der Apparatur zu bestimmen wurde, um Rechenzeit einzusparen, ein vereinfachtes 2D-Modell verwendet. Die Simulation der Partikelbahnen wurde mit einem 3D-Modell mittels Ein-Weg-Kopplung durchgeführt. Dadurch konnten Unterschiede bei der Durchströmung in vertikaler bzw. horizontaler Richtung aufgrund der Wirkung der Schwerkraft festgestellt werden.
Neben der numerischen Berechnung wurde die erarbeitete Konstruktion auf experimentellem Wege erprobt. Dabei wurden Messreihen zur Bestimmung des Druckabfalls über der Apparatur zur Validierung der Simulationsmodelle durchgeführt. Des Weiteren wurde die mittlere Partikelgröße einer O/W-Emulsion in einer Ölabscheideanlage messtechnisch bestimmt. Die Eignung für Suspensionen konnte im Rahmen der Versuchsreihen nicht erbracht werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Grundlagen zu dispersen Systemen
2.1.1 Emulsionstypen
2.1.2 Stabilität von Emulsionen
2.1.3 Suspensionen
2.2 Grundlagen der Fluidmechanik
2.2.1 Fluidströmung im Strömungskanal
2.2.2 Partikelbewegung im Schwerefeld
2.2.2.1 Wirkende Kräfte auf Partikeln im Fluid
2.2.2.2 Partikelbewegung im ruhenden Fluid
2.2.2.3 Partikelbewegung im stationär strömenden Fluid
2.3 Grundlagen zur optischen Partikelmesstechnik
2.3.1 Wechselwirkung Partikel-Licht
2.3.2 Prinzip der Statistischen Extinktionsmethode
2.4 Grundlagen der numerischen Strömungssimulation
2.4.1 Transport in einphasigen Systemen
2.4.1.1 Kontinuitätsgleichung
2.4.1.2 Impulsbilanz
2.4.1.3 Navier-Stokes-Gleichung für inkompressible Fluide
2.4.1.4 Energiebilanz
2.4.1.5 Laminare und turbulente Strömung
2.4.2 Transport in mehrphasigen Systemen
2.4.2.1 Modellierung disperser Systeme
2.4.2.2 Bilanzen der kontinuierlichen Phase
2.4.3 Diskretisierung und numerische Lösungsverfahren
2.4.4 Modellierung von turbulenten Strömungen
2.5 Grundlagen zur Finite Elemente Methode
2.5.1 Anwendungsgebiete
2.5.2 Berechnungsgrundlage
3 Konstruktion der Durchflussküvette
3.1 Anforderungsliste
3.2 Konzeptphase
3.3 Gestaltungs- und Ausarbeitungsphase
3.3.1 Vorberechnungen
3.3.1.1 Vorberechnung des Druckabfalls
3.3.1.2 Kontrolle der Strömungsform
3.3.1.3 Sicherheit gegen Tropfenzerfall
3.3.1.4 Sinkgeschwindigkeit der Partikeln innerhalb der Strömung
3.3.1.5 Festigkeitsnachweis der Weglängenverstellung
3.3.2 Materialauswahl
3.3.3 Ausgestaltung des Konzeptentwurfs
3.3.3.1 Endgültiges Design des Strömungskanals
3.3.3.2 Darstellung des Strömungsquerschnitts
3.3.3.3 Ausführung der optischen Weglängenverstellung
3.3.3.4 Festigkeitsnachweis und Verformungsanalyse
3.3.4 Ausarbeitung
4 Numerische Berechnung
4.1 Aufbau der Berechnungsmodelle
4.2 2D-Simulation des statischen Druckverlusts
4.2.1 Simulationsergebnisse für Glycerin
4.2.2 Simulationsergebnisse für Wasser
4.3 3D-Simulation der Partikelbahnen
4.3.1 Darstellung der Partikelbahnen
4.3.2 Partikelabscheidung
5 Experimentelle Erprobung
5.1 Messung des statischen Druckabfalls
5.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung
5.1.2 Versuchsauswertung
5.1.2.1 Messreihe Glycerin
5.2 Partikelmessung
5.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung
5.2.2 Messreihe O/W-Emulsion
5.2.3 Messreihe Suspension
6 Auswertung
6.1 Validierung der Simulation
6.2 Optimiertes Küvettendesign
7 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung, Konstruktion und Erprobung einer Durchflussküvette mit variabler optischer Weglänge, um eine präzise Inline-Partikelmessung mittels statistischer Extinktionsmethode zu ermöglichen, während gleichzeitig der statische Druckverlust minimiert und eine repräsentative Partikelverteilung sichergestellt wird.
- Design und konstruktive Ausgestaltung der Durchflussküvette unter Berücksichtigung verfahrenstechnischer Anforderungen.
- Numerische Simulation der Strömungsverhältnisse, Partikelbahnen und Druckverluste mit Ansys Fluent.
- Validierung der Simulationsmodelle durch experimentelle Druckverlustmessungen mit Wasser und Glycerin.
- Experimentelle Erprobung des Sensorsystems an O/W-Emulsionen und Untersuchung der Eignung für Suspensionen.
- Optimierung des Küvettendesigns basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen zur Reduktion von Wandkontakten und Strömungsfehlern.
Auszug aus dem Buch
3.1 Anforderungsliste
An das Küvettendesign werden folgende Anforderungen gestellt:
Laminare Strömung mindestens im Bereich der Messstelle
Repräsentative Partikelverteilung
Geringer Druckabfall zwischen Ein- und Auslass
Einfache Demontage/ Reinigung
Einstellbereich der optischen Weglänge von 0-5 mm
Eignung für Emulsionen und Suspensionen
Eignung für Wasser und Glycerin
Geringer Bauraum
Schlauchanschlüsse bis ½“ möglich
Volumenströme bis 20 l/min
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Motivation für das Inline-Monitoring von Partikelprozessen und Formulierung der Zielsetzung zur Entwicklung einer variablen Durchflussküvette.
2 Theoretische Grundlagen: Erläuterung der dispersen Systeme, Fluidmechanik, optischen Partikelmesstechnik und der numerischen Strömungs- sowie Strukturmechanik (CFD/FEM).
3 Konstruktion der Durchflussküvette: Detaillierte Darstellung des Anforderungsprofils, der Konzeptfindung und der konstruktiven Auslegung inklusive Festigkeitsnachweisen.
4 Numerische Berechnung: Beschreibung der Simulationsmodelle zur Analyse des Druckabfalls und der Partikelbahnen unter Berücksichtigung von Gravitations- und Strömungseffekten.
5 Experimentelle Erprobung: Durchführung der Messreihen zur Validierung der Druckverluste und Erprobung des Messprinzips an Emulsionen und Suspensionen.
6 Auswertung: Validierung der Simulation durch Vergleich mit experimentellen Daten sowie Vorstellung des optimierten Küvettendesigns.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der erarbeiteten Ergebnisse und Empfehlungen für weiterführende Arbeiten zur Optimierung der Partikelabscheidung.
Schlüsselwörter
Durchflussküvette, Partikelmesstechnik, Statistische Extinktionsmethode, Numerische Strömungssimulation, CFD, FEM, Emulsionen, Suspensionen, Partikelbahnen, Druckverlust, Konstruktion, Fluidmechanik, Inline-Monitoring, Validierung, Partikelabscheidung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit behandelt die Entwicklung und Erprobung einer speziellen Durchflussküvette, die eine Inline-Messung von Partikelgrößen in dispersen Systemen ermöglicht.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Konstruktion, der numerischen Strömungssimulation (CFD) und der experimentellen Validierung mittels Druckmessungen und Partikelanalysen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist die Konstruktion einer Küvette mit variabler optischer Weglänge, die einen geringen Druckverlust aufweist und reproduzierbare Partikelmessungen erlaubt.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewandt?
Es werden Methoden der numerischen Strömungsmechanik (CFD in Ansys Fluent), der Finite-Elemente-Methode (FEM zur Bauteilauslegung) sowie experimentelle Messreihen in der Verfahrenstechnik eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen der Partikelmessung, die detaillierte Konstruktion der Küvette, die numerische Berechnung von Strömung und Partikelbahnen sowie die experimentelle Verifizierung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zentrale Begriffe sind Durchflussküvette, Statistische Extinktionsmethode, CFD-Simulation, Partikelgrößenanalyse und Strömungsmechanik.
Wie werden die Strömungsmodelle validiert?
Die Validierung erfolgt durch einen direkten Vergleich zwischen den numerisch berechneten Druckabfällen und den experimentell an einer Testanlage erhobenen Daten bei unterschiedlichen Volumenströmen.
Warum konnte keine Eignung für Suspensionen nachgewiesen werden?
Aufgrund der Sedimentation der Partikel und der Bildung von Wandfilmen auf der Optik konnten keine verwertbaren Messergebnisse für Suspensionen erzielt werden.
Was unterscheidet das optimierte Küvettendesign vom ursprünglichen Konzept?
Das optimierte Design weist sanftere Strömungsumlenkungen und angepasste Radien auf, um Wandkontakte von Partikeln und damit verbundene Messfehler zu minimieren.
- Arbeit zitieren
- Anonym (Autor:in), 2017, Auslegung, Aufbau und Erprobung einer Durchflussküvette mit variabler optischer Weglänge für eine Inline-Partikelmesstechnik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/366110
