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Experimentelle Untersuchungen und
Simulation von Hochdruckdüsen
Marília Rauck

Betreuer:
Dipl.- Wi.- Ing. Karsten Köhler
Prof. Dr.- Ing. H.P. Schuchmann

11.09.2009
Brasilien
Gliederung
• Motivation
• Grundlagen des Tropfenaufbruchs

• Untersuchungen von Standard-Lochblenden

• Untersuchungen von SHM-Blenden
Kraft

Besseres Verständnis des
Tropfenaufbruch

Dehnung

Kavitation

Zeit t [ms]

Turbulenz
Grundlegender Ablauf der Homogenisierung
• Wann findet der Tropfenaufbruch statt?
1. Wenn angreifende Spannungen größer sind als Formerhaltende
Kräften.
We > Wecrit

1. Wenn die Spannungen lang genug anhalten.
t > tcrit
• Wie bricht der Tropfen auf?

5 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |
Laminare Strömung
We = deformierende / Formerhaltende Kräfte (Spannungen)

 *x
2



dv x

100

*x

dx
2

We lam , crit , elong  0 ,1

lam. krit. Weber-Zahl Welam,crit

We lam 

c *

10

lam. Scherströmung

1

0,1

t aus Simulation
t crit 

d
 max

d

dv x 4 * 
 pc
c *

dx
x

lam. Dehnströmung
0.01
0.001

0,01

0,1

1

Viskositätsverhältnis

10



d

100

c

nach BENTLEY und LEAL (1986)
Relaxation
t crit 
400

3,5E+05

350

z

3,0E+05

Dehnrate e / s-1

300
2,5E+05
Einphasige Simulation
c = 1 mPa·s
z = 0 mm: Einlauf in
den Blendeneingang
d = 0,4 mm
Dp = 50 bar
d = 0,4 mm

2,0E+05
1,5E+05
1,0E+05
5,0E+04
0,0E+00

Dehnrate

-5,0E+04

250
200
150
100
50

turb. kinetische. Energie

-1,0E+05

0
-2

0

2

4

Abstand z / mm

t res

6

8

10

Spez. turbulente kinetische Energie k / m2·s2

4,0E+05

d
 max

d

 pc 4 * 
x

Relaxation findet
statt wenn

t res  t crit
Turbulent Strömung

We turb 

C * c * x

5
3

*e

2
3



We  We crit

t def  t crit

We crit 

C *  c * x max



5
3

*e

2
3
Modelle für ε
• Kolmogorov

• Isuru N. et. al.

e K  C k ou '
eI 

3

P * V or
2 ,5 * d or *  e
Modelle für Xmax
• Kolmogorov
Oh 

x max, ( Oh  )  e

d

 *  d * x 

1
2

x max, ( Oh  )  e

2
5

1

*
*

4

3

3

* c

5

5

3

3
4

* c

4

• Walstra

l 0  Pv

1

3

4

x max (  l 0 )  

1

* c 4 *  c

2

3
5

* Pv

1

5

* c

5

2

x Max (  l 0 )   * Pv

1

1

2

* c

2
Modelle für Xmax
x max  A1 (   A 2 d e

1

Viscosity range
KolmogorovHinze, 1955
Sprow,
1967
Davies, 1985
Calabrese et
al.,
1986
Vankova, N.
et. al.,
2007

1
3

3

3

3
x max )
Interfacial
tension

5

 c 5e
A1

2
5
A2

Coaxial cylinders

low

0.725

Impellers

0.51 mPa.s

41.8 mN/m

0.138

Clearance valve
Colloidal mills
Liquid whistles
Turbine impellers

3.5 to 200 mPa.s

 30 mN/m

1

( 0.354)

Impellers

5 to 500 mPa.s

1 to 45 mN/m

 0.09

4.08 – 4.42

Narrow-gap
homogenizer

3 to 500 mPa.s

5 to 30 mN/m

0.944

0.28
Gliederung
• Motivation
• Grundlagen des Tropfenaufbruchs

• Untersuchungen von Standard-Lochblenden

• Untersuchungen von SHM-Blenden
Material und Methoden

Rohemulsion

0,25% Pflanzenöl
5% SDS Emulgator
demineralisiertes Wasser

Microfluidizers

100 bar

BECKMAN COULTER
LS 13.320

Tropfengroßverteilungen der Emulsion
X90,3%
Material und Methoden

CFD Strömungssimulationssoftware FLUENT® 6.2
1-phasig (Wasser)
RNG k-ɛ-Modell

Simulation

Auswertung
Geschwindigkeit
Druck
Dehnraten
turbulente kinetischen Energie k
turbulente Dissipation ɛ
Material und Methoden
L
(mm)

D1
(mm)

d
(mm)

D2
(mm)

0,4

1,5
4

0,1
0,2
0,4
0,8

2
4
8

Verhältnis:
1 : D1/d : D2/d
Ermittlung der Dehnung

N

Dehnung



 (  90 % Dehngung
i

N

max

)
Ermittlung der Turbulent Dissipation Rate

N

e 

 (  90 % e
i

N

max

)
Dehnung steigt mit steigendem D1/d-Verhältnis
Mit steigendem D2/d-Verhältnis sinkt die Dehnung
Je größer die max. Dehnung, desto
größer die Tropfen
Turbulenz steigt
- mit steigendem D2/d-Verhältnis
- mit sinkendem D1/d-Verhälntis
Je Größer die Turbulenz desto Größer die
Tropfen
Experimentelle Ergebnisse

X90,3%
Verhältnis
1mm:1,875mm:10mm
Xmax von Modelle
Berechnung:
• ɛ: max. Werte von Simulation

Kolmogorov
Beste Modell
für dieses
Stoffsystem!
d : D1 : D2 = 1 : 15 : 80
Max.
DehnungAxis

Turbulenz

Bis ≈ 5,6 µm
aufgebrochen

Größeren Tropfen werden
zerkleinert

Neue
Verteilung
Zusammenfassung
• Experimentelle Ergebnis
• Optimal Verhältnis: 1: 1,875 : 10
• Simulation
• ↑D2/d → ↓ max. Dehnung und max. ɛ
• ↑max. Dehnung und ↑ max. ɛ → ↑x 90,3%
• max. Dehnung und max. ɛ auf die Axis sind nicht geeignet um die
Tropfenaufbruch zu modellieren
• Modelle
• max. ɛ von Simulation + X max. von Kolmogorov ≈ X 90,3%
Gliederung

• Grundlagen des Tropfenaufbruchs

• Untersuchungen von Standard-Lochblenden

• Untersuchungen von SHM-Blenden
Material und Methoden

Rohemulsion

0,5% Pflanzenöl
5% SDS Emulgator
demineralisiertes Wasser

Microfluidizers

100 bar
Hauptstrom = Nebenstrom

BECKMAN COULTER
LS 13.320

Tropfengroßverteilungen der Emulsion
X90,3%
Material und Methoden
0,8mm

D2
(mm)

0,4mm

D2

0,2mm

2mm

2
4
8

Volumenstromv H
erhältnis

N

E (%)

1:1

0

1

0,5

1:1

0,5

0,5

0,5

1:1

1

0

0,5
X90,3% x Disperser Phasenanteil im Hauptstrom

Alles durch
Hauptstrom
vorteilhaft

Auslaufdurchmesser
hat keinen klaren
Einfluss
Volumenverteil x Tropfendurchmesser

Disp. Phasenanteil
im Hauptstrom:
0→ Bimodal
0,5 → Monomodal
1 → Monomodal
Zusammenfassung

Über Hauptstrom ist vorteilhaft, weil
- Dehnung zusätzlich hilft
- Turbulenz besser genutzt wird.

31 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |
Vortrag
33 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |

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Vortrag

  • 1. Experimentelle Untersuchungen und Simulation von Hochdruckdüsen Marília Rauck Betreuer: Dipl.- Wi.- Ing. Karsten Köhler Prof. Dr.- Ing. H.P. Schuchmann 11.09.2009
  • 3. Gliederung • Motivation • Grundlagen des Tropfenaufbruchs • Untersuchungen von Standard-Lochblenden • Untersuchungen von SHM-Blenden
  • 5. Grundlegender Ablauf der Homogenisierung • Wann findet der Tropfenaufbruch statt? 1. Wenn angreifende Spannungen größer sind als Formerhaltende Kräften. We > Wecrit 1. Wenn die Spannungen lang genug anhalten. t > tcrit • Wie bricht der Tropfen auf? 5 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |
  • 6. Laminare Strömung We = deformierende / Formerhaltende Kräfte (Spannungen)  *x 2  dv x 100 *x dx 2 We lam , crit , elong  0 ,1 lam. krit. Weber-Zahl Welam,crit We lam  c * 10 lam. Scherströmung 1 0,1 t aus Simulation t crit  d  max d  dv x 4 *   pc c *  dx x lam. Dehnströmung 0.01 0.001 0,01 0,1 1 Viskositätsverhältnis 10  d 100 c nach BENTLEY und LEAL (1986)
  • 7. Relaxation t crit  400 3,5E+05 350 z 3,0E+05 Dehnrate e / s-1 300 2,5E+05 Einphasige Simulation c = 1 mPa·s z = 0 mm: Einlauf in den Blendeneingang d = 0,4 mm Dp = 50 bar d = 0,4 mm 2,0E+05 1,5E+05 1,0E+05 5,0E+04 0,0E+00 Dehnrate -5,0E+04 250 200 150 100 50 turb. kinetische. Energie -1,0E+05 0 -2 0 2 4 Abstand z / mm t res 6 8 10 Spez. turbulente kinetische Energie k / m2·s2 4,0E+05 d  max d   pc 4 *  x Relaxation findet statt wenn t res  t crit
  • 8. Turbulent Strömung We turb  C * c * x 5 3 *e 2 3  We  We crit t def  t crit We crit  C *  c * x max  5 3 *e 2 3
  • 9. Modelle für ε • Kolmogorov • Isuru N. et. al. e K  C k ou ' eI  3 P * V or 2 ,5 * d or *  e
  • 10. Modelle für Xmax • Kolmogorov Oh  x max, ( Oh  )  e d  *  d * x  1 2 x max, ( Oh  )  e 2 5 1 * * 4 3 3 * c 5 5 3 3 4 * c 4 • Walstra l 0  Pv 1 3 4 x max (  l 0 )   1 * c 4 *  c 2 3 5 * Pv 1 5 * c 5 2 x Max (  l 0 )   * Pv 1 1 2 * c 2
  • 11. Modelle für Xmax x max  A1 (   A 2 d e 1 Viscosity range KolmogorovHinze, 1955 Sprow, 1967 Davies, 1985 Calabrese et al., 1986 Vankova, N. et. al., 2007 1 3 3 3 3 x max ) Interfacial tension 5  c 5e A1 2 5 A2 Coaxial cylinders low 0.725 Impellers 0.51 mPa.s 41.8 mN/m 0.138 Clearance valve Colloidal mills Liquid whistles Turbine impellers 3.5 to 200 mPa.s  30 mN/m 1 ( 0.354) Impellers 5 to 500 mPa.s 1 to 45 mN/m  0.09 4.08 – 4.42 Narrow-gap homogenizer 3 to 500 mPa.s 5 to 30 mN/m 0.944 0.28
  • 12. Gliederung • Motivation • Grundlagen des Tropfenaufbruchs • Untersuchungen von Standard-Lochblenden • Untersuchungen von SHM-Blenden
  • 13. Material und Methoden Rohemulsion 0,25% Pflanzenöl 5% SDS Emulgator demineralisiertes Wasser Microfluidizers 100 bar BECKMAN COULTER LS 13.320 Tropfengroßverteilungen der Emulsion X90,3%
  • 14. Material und Methoden CFD Strömungssimulationssoftware FLUENT® 6.2 1-phasig (Wasser) RNG k-ɛ-Modell Simulation Auswertung Geschwindigkeit Druck Dehnraten turbulente kinetischen Energie k turbulente Dissipation ɛ
  • 16. Ermittlung der Dehnung N Dehnung   (  90 % Dehngung i N max )
  • 17. Ermittlung der Turbulent Dissipation Rate N e   (  90 % e i N max )
  • 18. Dehnung steigt mit steigendem D1/d-Verhältnis Mit steigendem D2/d-Verhältnis sinkt die Dehnung
  • 19. Je größer die max. Dehnung, desto größer die Tropfen
  • 20. Turbulenz steigt - mit steigendem D2/d-Verhältnis - mit sinkendem D1/d-Verhälntis
  • 21. Je Größer die Turbulenz desto Größer die Tropfen
  • 23. Xmax von Modelle Berechnung: • ɛ: max. Werte von Simulation Kolmogorov Beste Modell für dieses Stoffsystem!
  • 24. d : D1 : D2 = 1 : 15 : 80 Max. DehnungAxis Turbulenz Bis ≈ 5,6 µm aufgebrochen Größeren Tropfen werden zerkleinert Neue Verteilung
  • 25. Zusammenfassung • Experimentelle Ergebnis • Optimal Verhältnis: 1: 1,875 : 10 • Simulation • ↑D2/d → ↓ max. Dehnung und max. ɛ • ↑max. Dehnung und ↑ max. ɛ → ↑x 90,3% • max. Dehnung und max. ɛ auf die Axis sind nicht geeignet um die Tropfenaufbruch zu modellieren • Modelle • max. ɛ von Simulation + X max. von Kolmogorov ≈ X 90,3%
  • 26. Gliederung • Grundlagen des Tropfenaufbruchs • Untersuchungen von Standard-Lochblenden • Untersuchungen von SHM-Blenden
  • 27. Material und Methoden Rohemulsion 0,5% Pflanzenöl 5% SDS Emulgator demineralisiertes Wasser Microfluidizers 100 bar Hauptstrom = Nebenstrom BECKMAN COULTER LS 13.320 Tropfengroßverteilungen der Emulsion X90,3%
  • 28. Material und Methoden 0,8mm D2 (mm) 0,4mm D2 0,2mm 2mm 2 4 8 Volumenstromv H erhältnis N E (%) 1:1 0 1 0,5 1:1 0,5 0,5 0,5 1:1 1 0 0,5
  • 29. X90,3% x Disperser Phasenanteil im Hauptstrom Alles durch Hauptstrom vorteilhaft Auslaufdurchmesser hat keinen klaren Einfluss
  • 30. Volumenverteil x Tropfendurchmesser Disp. Phasenanteil im Hauptstrom: 0→ Bimodal 0,5 → Monomodal 1 → Monomodal
  • 31. Zusammenfassung Über Hauptstrom ist vorteilhaft, weil - Dehnung zusätzlich hilft - Turbulenz besser genutzt wird. 31 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |
  • 33. 33 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |