Mehrphasige Durchströmung heterogener kompressibler poröser Medien
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Date
2007-12-18T11:44:49Z
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Mehrphasenströmungen durch poröse Medien sind in der Verfahrens- und Energietechnik Grundlage einer Vielzahl technischer Anwendungen. Die dabei auftretenden Vorgänge sind komplex und so kommt es bereits bei einer isothermen zweiphasigen Durchströmung zu einem Zusammenwirken mehrerer, sich gegenseitig beeinflussender Effekte. Bislang konzentrierten sich die Untersuchungen auf einphasige Strömungsvorgänge, die wesentlich durch Reibungskräfte dominiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse mehrphasiger DurchströmunMehrphasenströmungen durch poröse Medien sind in der Verfahrens- und Energietechnik Grundlage einer Vielzahl technischer Anwendungen. Die dabei auftretenden Vorgänge sind komplex und so kommt es bereits bei einer isothermen zweiphasigen Durchströmung zu einem Zusammenwirken mehrerer, sich gegenseitig beeinflussender Effekte. Bislang konzentrierten sich die Untersuchungen auf einphasige Strömungsvorgänge, die wesentlich durch Reibungskräfte dominiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse mehrphasiger Durchströmungsprozesse in kapillarporösen Materialien und dispersen Haufwerken bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Dazu werden zunächst anhand verschiedener Schüttgüter, bei denen sich gezielt einzelne Eigenschaften der porösen Matrix variieren lassen, die Modellvorstellungen analysiert, um anschließend die erzielten Erkenntnisse auf reale poröse Medien zu übertragen. Als Parameter dienen der mittlere Partikeldurchmesser, die Benetzbarkeit der Oberfläche sowie die Porosität. Die Strömungsmedien bei den experimentellen Untersuchungen sind Luft und Wasser. Stellvertretend für reale Schüttgüter kommen Erdboden und Braunkohle zum Einsatz, für heterogene poröse Medien Membrane von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. Mit Hilfe des Kapillarmodells lassen sich für geordnete poröse Medien die Haufwerkseigenschaften annähernd theoretisch ableiten. Aufgrund der geometrischen Komplexität muss jedoch häufig auf empirische Ansätze, wie das Darcy-Gesetz und die Ergun-Forchheimer- Gleichung, zur Modellierung des Impulstransportes zurückgegriffen werden. Im Fall der einphasigen Durchströmung wird gezeigt, dass die Haufwerkskenngrößen Permeabilität und Passabilität sowohl bei kompressiblen als auch bei nicht deformierbaren Haufwerken Funktionen des mittleren Partikeldurchmessers, der Porosität sowie der Tortuosität und der Geometrie der Porenerweiterungen sind. Dem Vorhandensein zusätzlicher fluider Phasen bei mehrphasigen Prozessen wird durch Einführung der relativen Permeabilitäten und relativen Passabilitäten Rechnung getragen, die zum einen von der Verteilung der fluiden Phasen im Haufwerk, zum anderen von den Oberflächenspannungen und den Verhältnissen der fluiden Dichten abhängen. Ein zusätzlicher Druckverlust wird durch die z.T. sehr großen Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeiten und die daraus resultierenden Schubkräfte an den Phasengrenzflächen hervorgerufen. Diesem wird durch Einführung einer Wechselwirkungskraft Rechnung getragen. Zur Beschreibung der Phasenverteilung sind Untersuchungen der kapillaren Eigenschaften durchgeführt worden. Für die Auswertung der mehrphasigen Untersuchungen ist ein numerischer Algorithmus entwickelt worden, der die Impulsbilanzen und die Erhaltungsgleichungen der fluiden Phasen gemeinsam löst. Die Untersuchungen belegen, dass für niedrige Permeabilitäten der Widerstand der flüssigen Phase bedingt durch die zunehmenden Kapillarkräfte steigt. Dies hat zum einen eine geringere Beweglichkeit des Wassers zur Folge. Zum anderen bedeutet dies, dass kleine mit Flüssigkeit blockierte Poren erst durch einen zusätzlichen Energieeintrag in Form eines erhöhten Druckabfalls wieder freigegeben werden müssen. In heterogenen Medien sind der Strömungswiderstand und Anteil benetzbarer zu nichtbenetzbarer Oberflächen direkt von einander abhängig. Der Vergleich mit den realen porösen Medien zeigt, dass die Modellvorstellungen grundsätzlich auch für diese Gültigkeit besitzen. Zur Beschreibung kolloidaler Stoffe wie der Braunkohle sind jedoch empirische Ansätze unerlässlich. Bei den Brennstoffzellenmembranen wird deutlich, dass sich der komplexe Aufbau durch eine Reduzierung des gesamten Prozesses auf einzelne Teilbereiche, in diesem Fall die abschnittsweise Definition der Sättigung, mit den Modellansätzen recht gut beschreiben lässt. So bedingt eine Hydrophobisierung unterschiedliche Strömungswiderstände der flüssigen und gasförmigen Phase, wodurch die Mobilitäten der fluiden Medien gezielt beeinflusst werden können.gsprozesse in kapillarporösen Materialien und dispersen Haufwerken bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Dazu werden zunächst anhand verschiedener Schüttgüter, bei denen sich gezielt einzelne Eigenschaften der porösen Matrix variieren lassen, die Modellvorstellungen analysiert, um anschließend die erzielten Erkenntnisse auf reale poröse Medien zu übertragen. Als Parameter dienen der mittlere Partikeldurchmesser, die Benetzbarkeit der Oberfläche sowie die Porosität. Die Strömungsmedien bei den experimentellen Untersuchungen sind Luft und Wasser. Stellvertretend für reale Schüttgüter kommen Erdboden und Braunkohle zum Einsatz, für heterogene poröse Medien Membrane von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. Mit Hilfe des Kapillarmodells lassen sich für geordnete poröse Medien die Haufwerkseigenschaften annähernd theoretisch ableiten. Aufgrund der geometrischen Komplexität muss jedoch häufig auf empirische Ansätze, wie das Darcy-Gesetz und die Ergun-Forchheimer- Gleichung, zur Modellierung des Impulstransportes zurückgegriffen werden. Im Fall der einphasigen Durchströmung wird gezeigt, dass die Haufwerkskenngrößen Permeabilität und Passabilität sowohl bei kompressiblen als auch bei nicht deformierbaren Haufwerken Funktionen des mittleren Partikeldurchmessers, der Porosität sowie der Tortuosität und der Geometrie der Porenerweiterungen sind. Dem Vorhandensein zusätzlicher fluider Phasen bei mehrphasigen Prozessen wird durch Einführung der relativen Permeabilitäten und relativen Passabilitäten Rechnung getragen, die zum einen von der Verteilung der fluiden Phasen im Haufwerk, zum anderen von den Oberflächenspannungen und den Verhältnissen der fluiden Dichten abhängen. Ein zusätzlicher Druckverlust wird durch die z.T. sehr großen Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeiten und die daraus resultierenden Schubkräfte an den Phasengrenzflächen hervorgerufen. Diesem wird durch Einführung einer Wechselwirkungskraft Rechnung getragen. Zur Beschreibung der Phasenverteilung sind Untersuchungen der kapillaren Eigenschaften durchgeführt worden. Für die Auswertung der mehrphasigen Untersuchungen ist ein numerischer Algorithmus entwickelt worden, der die Impulsbilanzen und die Erhaltungsgleichungen der fluiden Phasen gemeinsam löst. Die Untersuchungen belegen, dass für niedrige Permeabilitäten der Widerstand der flüssigen Phase bedingt durch die zunehmenden Kapillarkräfte steigt. Dies hat zum einen eine geringere Beweglichkeit des Wassers zur Folge. Zum anderen bedeutet dies, dass kleine mit Flüssigkeit blockierte Poren erst durch einen zusätzlichen Energieeintrag in Form eines erhöhten Druckabfalls wieder freigegeben werden müssen. In heterogenen Medien sind der Strömungswiderstand und Anteil benetzbarer zu nichtbenetzbarer Oberflächen direkt von einander abhängig. Der Vergleich mit den realen porösen Medien zeigt, dass die Modellvorstellungen grundsätzlich auch für diese Gültigkeit besitzen. Zur Beschreibung kolloidaler Stoffe wie der Braunkohle sind jedoch empirische Ansätze unerlässlich. Bei den Brennstoffzellenmembranen wird deutlich, dass sich der komplexe Aufbau durch eine Reduzierung des gesamten Prozesses auf einzelne Teilbereiche, in diesem Fall die abschnittsweise Definition der Sättigung, mit den Modellansätzen recht gut beschreiben lässt. So bedingt eine Hydrophobisierung unterschiedliche Strömungswiderstände der flüssigen und gasförmigen Phase, wodurch die Mobilitäten der fluiden Medien gezielt beeinflusst werden können.
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Table of contents
Keywords
Zweiphasig, Isotherm, Schüttgüter, Membrane