Untersuchung metastabiler Gasphasen und deren technischen Nutzung

Bei gleichzeitig stattfindenden Prozessen von Wärme- und Stoffübergang wie es bei der Kondensation und Verdampfung von Inertgas-Dampf-Gemischen der Fall ist (Abbildung 1) kommt es häufig zu Übersättigungen in der Gasphase. Ist die Gasphase übersättigt, so befindet sich das Gas-Gemisch in einem metastabilen Gleichgewichtszustand. Während in einem keimfreien Gas dieser Zustand bis zum Überschreiten der kritischen Sättigung der homogenen Keimbildung aufrecht erhalten und genutzt werden kann, wird die Übersättigung beim Vorhandensein von Keimen durch Kondensation auf deren Oberflächen durch heterogene Keimbildung schnell abgebaut und ein Aerosol entsteht. Um abzuschätzen, welches Ausmaß an Übersättigung beim Wärme- und Stoffübergang in einer Anlage entsteht, ist es wichtig, dessen Verlauf zu kennen bzw. zumindest dessen Maximum vorherzusagen.

Abbildung 1:Wärme- und Stoff-Austausch-Apparat

Dabei stellt sich heraus, dass zum einen die Richtung des Wärme- und Stoffaustausches, d.h. handelt es sich um Kondensation oder Verdampfung, und zum anderen das Verhältnis von Wärme- und Stoffaustauschgeschwindigkeit der Dampfkomponente im Gas, beschrieben durch die Lewiszahl, die entscheidenden Kriterien für das Ausmaß an Übersättigung darstellen. Dadurch spannt sich ein prinzipielles Portfolio für das Nebelbildungspotential für Kondensations- und Verdampfungsprozesse von Inertgas-Dampf-Gemischen auf (Abbildung 2).
 

Wählt man den Prozess der Kondensation aus und hat eine Dampfkomponente mit großer Lewiszahl (Wärmeaustausch ist größer als der Stoffaustausch) dann spreizt sich die Prozesslinie gegenüber der Gleichgewichtskurve des benutzten Stoff-Systems auf und das Nebelbildungspotential ist sehr groß (Quadrant links oben). Dies lässt sich dadurch erklären, dass der anfangs heiße Dampf nur langsam an die Austauschfläche diffundiert, wohingegen der Wärmeaustausch das Gas sehr viel schneller abkühlt.

Wählt man den Prozess der Verdampfung mit einer Dampfkomponente mit kleiner Lewiszahl (Stoffaustausch ist größer als der Wärmeaustausch) ist die Spreizung zwischen Prozesskurve und Dampfdruckkurve auch sehr groß und damit auch das Nebelbildungspotential (Quadrant rechts unten), da die sehr mobile Dampf-komponente schnell in das Gas diffundiert bevor dieses sich durch Wärmeaustausch erhitzt.

Für die beiden anderen Fälle des Portfolios schmiegt sich die Prozesslinie der Dampfdruckkurve an, was das Nebelbildungspotential minimiert.

 Abbildung 2: Portfolio zur Darstellung des Nebelbildungspotentials in Abhängigkeit des Prozesses und der Dampfkomponente

Experimenteller Aufbau und Ergebnisse

Am Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik (ITTK) wurden Untersuchungen mit zwei Anlagen durchgeführt, die die beiden Konstellationen mit großem Nebelbildungspotential untersuchen.

Zunächst wurde die homogene Keimbildung bei der Kondensation eines Hydrofluorether-Luft-Gemisches in einem Glasrohrbündelkondensator im Rahmen eines AiF-Projektes analysiert. Dabei wurden Modelle für die Vorhersage von Nebelbildung in Oberflächenkondensatoren entwickelt. Als Vergleich diente stets die örtlich eindimensionale Simulation des Wärme- und Stoffaustausches mit den Messergebnissen der Experimente in der Anlage [3, 4, 5].

Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde eine Direktkontaktkolonne zur Untersuchung der Verdampfung von Wasser in Luft konzipiert, gebaut und momentan betrieben. Fokus dabei ist die Untersuchung der Sättigung bzw. der Übersättigung der Gasphase in Abhängigkeit der Lauflänge des Wärme- und Stoffaustauschprozesses. Die Ergebnisse zeigen Übersättigungen der Gasphase, die jedoch eine Diskrepanz zu den eindimensionalen Berechnungen aufweisen [5, 6].

Parallel zu diesen experimentellen Untersuchungen wurde die örtlich eindimensionale Simulation der Verdampfung und Kondensation mit unterschiedlichen Dampfkomponenten mit der örtlich zweidimensionalen Modellierung in einer Laminar Flow Diffusion Chamber (LFDC) verglichen [7]. Die Ergebnisse der Sättigungsprofile beider Modelle zeigen eine recht gute Übereinstimmung. Damit scheint die örtlich eindimensionale Modellierung ein sinnvolles Werkzeug zur Vorhersage von Nebel in verfahrenstechnischen Anlagen darzustellen.

Ausblick

Die gezielt eingestellten Übersättigungen der Wärme- und Stoffaustauschprozesse sollen einen anwendungsbezogenen Hintergrund bekommen und zur homogenen Befeuchtung von feinen Pulvern zur gezielten Agglomeration dienen. Erste Versuche mit diesem Ziel sind auf dem Weg.