Experimentelle Untersuchungen und
Simulation von Hochdruckdüsen
Marília Rauck

Betreuer:
Dipl.- Wi.- Ing. Karsten Köhler
P...
Brasilien
Gliederung
• Motivation
• Grundlagen des Tropfenaufbruchs

• Untersuchungen von Standard-Lochblenden

• Untersuchungen von...
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 si...
Laminare Strömung
We = deformierende / Formerhaltende Kräfte (Spannungen)

 *x
2



dv x

100

*x

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2

We lam , crit...
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 ...
Turbulent Strömung

We turb 

C * c * x

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3

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2
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

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t def  t crit

We crit 

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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

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x max, ( Oh  )  e

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

1

Viscosity range
KolmogorovHinze, 1955
Sprow,
1967
Davies, 1985
Calabrese et...
Gliederung
• Motivation
• Grundlagen des Tropfenaufbruchs

• Untersuchungen von Standard-Lochblenden

• Untersuchungen von...
Material und Methoden

Rohemulsion

0,25% Pflanzenöl
5% SDS Emulgator
demineralisiertes Wasser

Microfluidizers

100 bar
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Material und Methoden

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

Simulation

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Material und Methoden
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Verhältnis:
1 : D1/d : D2/d
Ermittlung der Dehnung

N

Dehnung

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 (  90 % Dehngung
i

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max

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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

Neu...
Zusammenfassung
• Experimentelle Ergebnis
• Optimal Verhältnis: 1: 1,875 : 10
• Simulation
• ↑D2/d → ↓ max. Dehnung und ma...
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
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Material und Methoden
0,8mm

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(mm)

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X90,3% x Disperser Phasenanteil im Hauptstrom

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Hauptstrom
vorteilhaft

Auslaufdurchmesser
hat keinen klaren
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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 | M...
33 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |
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  1. 1. Experimentelle Untersuchungen und Simulation von Hochdruckdüsen Marília Rauck Betreuer: Dipl.- Wi.- Ing. Karsten Köhler Prof. Dr.- Ing. H.P. Schuchmann 11.09.2009
  2. 2. Brasilien
  3. 3. Gliederung • Motivation • Grundlagen des Tropfenaufbruchs • Untersuchungen von Standard-Lochblenden • Untersuchungen von SHM-Blenden
  4. 4. Kraft Besseres Verständnis des Tropfenaufbruch Dehnung Kavitation Zeit t [ms] Turbulenz
  5. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 12. Gliederung • Motivation • Grundlagen des Tropfenaufbruchs • Untersuchungen von Standard-Lochblenden • Untersuchungen von SHM-Blenden
  13. 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. 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
  15. 15. 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
  16. 16. Ermittlung der Dehnung N Dehnung   (  90 % Dehngung i N max )
  17. 17. Ermittlung der Turbulent Dissipation Rate N e   (  90 % e i N max )
  18. 18. Dehnung steigt mit steigendem D1/d-Verhältnis Mit steigendem D2/d-Verhältnis sinkt die Dehnung
  19. 19. Je größer die max. Dehnung, desto größer die Tropfen
  20. 20. Turbulenz steigt - mit steigendem D2/d-Verhältnis - mit sinkendem D1/d-Verhälntis
  21. 21. Je Größer die Turbulenz desto Größer die Tropfen
  22. 22. Experimentelle Ergebnisse X90,3% Verhältnis 1mm:1,875mm:10mm
  23. 23. Xmax von Modelle Berechnung: • ɛ: max. Werte von Simulation Kolmogorov Beste Modell für dieses Stoffsystem!
  24. 24. d : D1 : D2 = 1 : 15 : 80 Max. DehnungAxis Turbulenz Bis ≈ 5,6 µm aufgebrochen Größeren Tropfen werden zerkleinert Neue Verteilung
  25. 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. 26. Gliederung • Grundlagen des Tropfenaufbruchs • Untersuchungen von Standard-Lochblenden • Untersuchungen von SHM-Blenden
  27. 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. 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. 29. X90,3% x Disperser Phasenanteil im Hauptstrom Alles durch Hauptstrom vorteilhaft Auslaufdurchmesser hat keinen klaren Einfluss
  30. 30. Volumenverteil x Tropfendurchmesser Disp. Phasenanteil im Hauptstrom: 0→ Bimodal 0,5 → Monomodal 1 → Monomodal
  31. 31. Zusammenfassung Über Hauptstrom ist vorteilhaft, weil - Dehnung zusätzlich hilft - Turbulenz besser genutzt wird. 31 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |
  32. 32. 33 | Marilia Rauck | BLT: Lebensmittelverfahrenstechnik |

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