In zahlreichen Industriezweigen wie der Druck-, Reinigungs- und Lebensmitteltechnik werden Körper von substratspezifischen Lösemitteln benetzt. Die dabei auftretenden Vorgänge sind heute jedoch noch weitgehend unverstanden. Zwar existieren bereits seit dem 19. Jahrhundert Bemühungen, allgemeine physikalische Modelle zu Benetzungsvorgängen aufzustellen. Bisher konnten jedoch noch keine verallgemeinerten Formen abgeleitet werden, die alle stationären und transienten experimentellen Beobachtungen bei beliebigen Materialpaarungen beschreiben. Im Rahmen dieses Projekts wird das Verständnis von Benetzungsvorgängen auf löslichen Oberflächen geschärft.
Für eine umfassende Untersuchung von Benetzungsphänomenen auf löslichen Oberflächen werden hierzu diverse Polymersubstrate experimentell in Kontakt mit unterschiedlichen Lösemitteln gebracht. Variiert werden auf Substratseite sowohl Molekularmassen der Polymere als auch Taktizitäten und mechanische Vorbelastungen. Auf der Fluidseite wird durch Verwendung unterschiedlicher Lösemittel die substratspezifische Löslichkeit variiert.
Beobachtungen zu den Versuchen werden auf unterschiedlichen Zeitskalen angestellt. Zum einen wird im Sub-Mikrosekunden-Bereich der Ausbreitungsvorgang von Lösemitteln nach spontanem Inkontaktbringen mit Substraten untersucht. Zum anderen werden nach Benetzungsabschluss und vollständiger Verdampfung der benetzenden Tropfen tropfeninduzierte Oberflächenrestrukturierungen aufgezeichnet und quantifiziert.
Für die geschilderten Versuche wird am Fachgebiet für Technische Thermodynamik ein geschlossener Versuchsstand aufgebaut, in dem Umgebungsparameter gezielt eingestellt und deren Auswirkung mit bildgebenden Verfahren untersucht werden können.
Publikationen:
- Wolf, Christian; Gambaryan-Roisman, Tatiana (2022): Wetting and evaporation of solvents on thin soluble substrates. In: Colloids and Interfaces, 4 (4), MDPI, e-ISSN 2504-5377, https://doi.org/10.3390/colloids4040048
- Sielaff, Axel; Zimmermann, Matthias; Schweikert, Kai; Hänichen, Philipp; Wolf, Christian; Nejati, Iman; Krempel, Julian; Stephan, Peter (2019): Single bubble pool boiling within micro gravity conditions. 14th International Conference on "Two-Phase Systems for Space and Ground Applications”, Granada, Spain, September 24-27, 2019, https://www.elgra2019.com/
Die Gewährleistung von sicheren und hygienisch einwandfreien Produkten ist für den Verbraucher von essentieller Bedeutung. In der industriellen Reinigung von Produktionsanlagen werden überwiegend automatische Reinigungssysteme eingesetzt, welche die Vorschriften hinsichtlich der Reinigungsintervalle einhalten. Aus Sicht des Produzenten ist dieser Prozessschritt mit Kosten verbunden, die aus dem Aufwand für Reinigungsmittel und der verlorenen Produktionszeit resultieren. Hinsichtlich der gesteckten Klimaziele der Bundesregierung ist auch der durch die Reinigung verursachte Ressourcenverbrauch von Interesse. Aus diesen Gründen steht die Optimierung von Reinigungsprozessen im Fokus der Forschung.
Im Forschungsvorhaben „Diskontinuierliche Reinigung 2“ der IVLV e.V. werden Entwicklungsimpulse für Anlagenhersteller der Lebensmittelindustrie erarbeitet. Im Vordergrund steht die Bewertung von pulsierenden bzw. intermittierenden Prallstahlen, hinsichtlich des Potenzials die Ressourcen- bzw. Kosteneffizienz der Reinigung mittlerer und großer Behälter zu erhöhen. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der TU Dresden durchgeführt und im Mai 2018 erfolgreich abgeschlossen. Auch nach Projektabschluss wird in diesem Bereich weiter geforscht, wobei ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt wird. Der Strahl wird von seiner Entstehung am Düsenaustritt über den Zerfall während der Wurfphase bis zur Umlenkung in die Wandströmung nach dem Aufprall verfolgt. Zudem wurden die Einflüsse auf die Transporteigenschaften des entstehenden Wandstrahls über die Charakterisierung der Reinigung sowie des Wärmeübergangs untersucht.
Publikationen:
- Wassenberg, Joern R. ; Stephan, Peter ; Gambaryan-Roisman, Tatiana (2020): Heat transfer during pulsating liquid jet impingement onto a vertical wall. Heat and Mass Transfer, 2020, Springer, ISSN 09477411, e-ISSN 14321181, https://doi.org/10.1007/s00231-020-02973-z
- Wassenberg, Joern R. ; Stephan, Peter ; Gambaryan-Roisman, Tatiana (2019): The influence of splattering on the development of the wall film after horizontal jet impingement onto a vertical wall. Experiments in Fluids, 60 (11), S. 173. Springer, ISSN 0723-4864, e-ISSN 1432-1114, https://doi.org/10.1007/s00348-019-2810-6
Die Benetzung eines Festkörpers durch eine Flüssigkeit ist ein allgegenwärtiges Phänomen. Vom Tautropfen bis zum Tintenstrahldruck beobachten wir die Benetzung verschiedener Arten von Oberflächen mit unterschiedlichen topografischen und mechanischen Eigenschaften. In den letzten Jahrzehnten wurde viel Arbeit geleistet, um den Einfluss der mechanischen Eigenschaften der Oberfläche auf einige der bekannten Benetzungsphänomene zu verstehen, wie z. B.: Spreitung, Verdunstung und Kondensation.
Bei vielen industriellen Anwendungen geht es darum, Oberflächen durch eine äußere Kraft zu benetzen oder zu entfeuchten. In der Anwendung treffen wir auf Flüssigkeiten, die nicht nur Newtonscher Natur sind, sondern auch nichtnewtonsches Verhalten zeigen. Wegen ihrer relativen Bedeutung in der Industrie hat auch der Einfluss der nichtnewtonschen Eigenschaften der Flüssigkeit auf die Benetzungskinetik die Forscher beschäftigt.
Im Rahmen einer Doktorarbeit untersuchten wir den Einfluss der Oberflächenverformbarkeit auf die Spreitungs- und Tropfenaufprallphänomene von nichtnewtonschen Flüssigkeiten. Die Experimente wurden mit speziell angefertigten Versuchsaufbauten durchgeführt, die eine detaillierte Untersuchung ermöglichten. Bestehende Modelle wurden dann mit den Ergebnissen verglichen. Der Einfluss der externen Volumenkräfte auf die Verformung von newtonschen und nichtnewtonschen Tropfen wurde ebenfalls untersucht.
Publikationen:
- Alam, Md Ehsanul (2021): Experimental investigation on the dynamic wetting of deformable substrates: Influence of the rheology of substrate and wetting liquid and external body force. Dissertation, Technische Universität Darmstadt, https://doi.org/10.26083/tuprints-00018499
- Kittel, Hannah M.; Alam, Ehsanul; Roisman, Ilia V.; Tropea, Cameron; Gambaryan-Roisman, Tatiana (2018): Splashing of a Newtonian drop impacted onto a solid substrate coated by a thin soft layer. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 553, S. 89-96, ISSN 0927-7757, https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.04.060
- Alam, Ehsanul; Yadav, S.; Schneider, J.; Gambaryan-Roisman, Tatiana (2017): Imbibition of water into substrates prepared by thermal treatment of polydimethylsiloxane layers. Colloids and Surfaces A – Physicochemical and Engineering Aspects, 521, S. 69-77, ISSN 0927-7757, https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.09.017
Durch die Gravidestillation wird die Durchführung von Destillationen auf einem Mikromaßstab ermöglicht. Der Prozess ist vergleichbar mit zu Kühlzwecken eingesetzten Wärmerohren mit einem binären Gemisch als Fluid. Durch die unterschiedlichen Siedepunkte der Komponenten ergibt sich dabei eine Gemischtrennung. Die Flüssigkeitsströmung wird von Kapillarkräften getrieben. Die Funktion des Prozesses ist dadurch unabhängig von der Gravitationskraft und kann somit auch im Weltraum eingesetzt werden. Um ein besseres Verständnis des Gravidestillationsverfahrens zu erlangen, wurde am Fachgebiet Technische Thermodynamik ein Versuchsstand zur Untersuchung der Hydrodynamik und des Wärme- und Stofftransports innerhalb eines Gravidestillationsapparats aufgebaut. Für unterschiedliche Fluide und Betriebsparameter ergeben sich im Apparat unterschiedliche Temperatur- und Krümmungsprofile der Phasengrenzfläche. Diese lassen einen Rückschluss auf die Zusammensetzung des Gemisches an unterschiedlichen Stellen im Apparat zu, womit die Güte der Trennung bewertet werden kann.
Publikationen:
- Preußer, Niklas (2020): Coupled transport processes in zero-gravity distillation columns. Dissertation, Technische Universität Darmstadt, https://doi.org/10.25534/tuprints-00011447
- Rieks, Sebastian; Wende, Marc; Preußer, Niklas; Gambaryan-Roisman, Tatiana; Kenig, Eugeny Y. (2019): A hydrodynamic analogy based modelling approach for zero-gravity distillation with metal foams. Chemical Engineering Research and Design, 147, S. 615-623, Elsevier, ISSN 2638762, https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.05.022
- Preußer, Niklas; Rieks, Sebastian; Kenig, Eugeny Y.; Stephan, Peter; Gambaryan-Roisman, Tatiana (2018): Transport processes and separation in zero-gravity destillation. IHTC 16 – International Heat Transfer Conference 16 Digital Libary, August 10-15, Beijing, China, Connecticut, Begellhouse, Connecticut, ISSN 2377-424X, https://doi.org/10.1615/IHTC16.her.023300
- Rieks, Sebastian; Preußer, Niklas; Gambaryan-Roisman, Tatiana; Kenig, Eugeny Y. (2018): Zero-gravity distillation with metal foams: A modelling approach. CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS, 69, S. 283 – 288, ISSN 2283-9216, https://doi.org/10.3303/CET1869048
Fallfilme werden in vielen technischen Prozessen zur Kühlung, Kondensation und Verdampfung verwendet. Die Hydrodynamik und die Wärmeübertragung dieser welligen Flüssigkeitsfilme sind von Bedeutung zur Auslegung entsprechender Anlagen. In der Literatur wird die Hydrodynamik von dünnen Filmen an senkrechten Wänden ausführlich beschrieben. Dort wurde gezeigt, dass die Wellen des Films einen positiven Einfluss auf die Wärmeübertragung haben. Ausführliche Untersuchungen zum Einfluss der Anregungsfrequenz der Wellen sowie deren Amplitude auf den Wärmetransport des Films wurden jedoch bisher nicht hinreichend durchgeführt.
Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit gezielt der Einfluss der Wellenanregung auf die Wärmeübertragung untersucht. So soll für dieses Themengebiet eine fundierte Grundlage für folgende Arbeiten geschaffen werden. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit dem die Strömungscharakteristika und die Wärmeübertragung eines definiert periodisch angeregten Fallfilms hoch aufgelöst untersucht werden können. Mittels eines chromatisch-konfokalen Abstandsmesssystems wurde die Filmdicke erfasst und mit einem Kamerasystem die Filmoberfläche fotografiert und ausgewertet. Die Wärmeübertragung wurde mit Wandtemperaturmessungen analysiert.
Die durchgeführten Experimente wurden in einem weiten Parameterbereich mit den gezielt variierten Parametern Anregungsfrequenz sowie -amplitude, Fluidmassenstrom, Wärmestromdichte und Neigungswinkel der Fallwand durchgeführt. Zunächst konnte gezeigt werden, dass sich die Wellenformen abhängig von der Anregungsfrequenz entlang der Strömungsrichtung unterschiedlich entwickeln. Weiterhin hat die initiale Amplitude der periodischen Anregung, auf die in bisherigen Arbeiten nicht eingegangen wurde, einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung der Wellen. Zu den weiteren untersuchten Wellencharakteristika zählen die mittlere Filmdicke, die Wellenfrequenz, die Wellenmaxima sowie -minima, die Filmdickenverteilung, die Wellenlänge und -geschwindigkeit.
Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit extrapolierten bekannten Korrelationen lieferte keine ausreichende Übereinstimmung und die Parameter der Korrelationen wurden an die experimentellen Daten angepasst. Durch die Analysen der Wandtemperaturmessungen zeigte sich ebenfalls ein starker frequenzabhängiger Einfluss der Wellenanregung auf die Wärmeübertragung. In bestimmten Frequenzbereichen konnte der Wärmetransport verbessert werden. Diese Frequenzbereiche korrespondieren mit dem Auftreten ausgeprägter Wellenminima in der Filmströmung.
Publikationen:
- Schröder, Timm (2019): Strömungscharakteristika und Wärmeübertragung eines angeregten Fallfilms. Dissertation, Technische Universität Darmstadt, https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8742
Komplexe Flüssigkeiten wie Nanopartikeldispersionen, Vesikeldispersionen und Mikroemulsionen werden häufig in verschiedenen Haushalts-, Körperpflege- und Arzneimittelformulierungen verwendet. Das Hauptziel des Projektes war es, ein besseres Verständnis der Wechselwirkung solcher komplexen Flüssigkeiten mit realen porösen Substraten wie Textilien, Haaren und Papier zu entwickeln, um die Leistung von Anwendungen wie Weichspülen, Haarpflege und Tintenstrahldruck zu verbessern. Bei der Wechselwirkung der komplexen Flüssigkeit mit porösen Substraten können verschiedene Phänomene auftreten, wie z. B. (i) Ablagerung der Wirkstoffe (Nanopartikel/Vesikel/Öltropfen) auf den Substratoberflächen wie bei der Weichmachung von Textilien und der Haarpflege, (ii) Ausbreitung und Aufsaugen komplexer Flüssigkeitströpfchen auf porösen Zellulose-Filterpapieren wie beim Tintenstrahldruck und (iii) Verdampfung komplexer Flüssigkeitströpfchen nach dem Aufsaugen auf dem porösen Substrat unter Zurücklassung der dispergierten Wirkstoffe.
Unsere Arbeit hat mehrere neue Erkenntnisse über solche Wechselwirkungen geliefert. So wurde beispielsweise im Fall der Weichmachung von Textilien erklärt, welche Faktoren dafür ausschlaggebend sind, ob sich die weichmachenden Wirkstoffe auf den äußeren Textiloberflächen ablagern oder ob sie in das Gewebe eindringen. Der Ort, an dem sich die Wirkstoffe ablagern, ist ein äußerst wichtiger Parameter, der die Leistung des Wirkstoffes bestimmt. Darüber hinaus ergaben Untersuchungen zur Benetzung komplexer Flüssigkeitströpfchen auf porösen Substraten und der anschließenden Verdunstung, dass sich die Ablagerung in Form eines Rings wie beim Kaffeering-Effekt vollzieht. Der Mechanismus der Kaffeeringbildung auf porösen Substraten wird untersucht. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sind vielversprechend und könnten für verschiedene Anwendungen von Bedeutung sein.
Publikationen:
- Kumar, Abhijeet (2020): Wetting, evaporation and deposition processes in interaction of complex liquid formulations with porous substrates. Dissertation, Technische Universität, https://doi.org/10.25534/tuprints-00014211
- Kumar, Abhijeet; Kleinen, Jochen; Venzmer, Joachim; Trybała, Anna; Starov, Victor; Gambaryan-Roisman, Tatiana (2019): Spreading and imbibition of vesicle dispersion droplets on porous substrates. Colloids and Interfaces, 3 (3), S. 53, ISSN 2504-5377, https://doi.org/10.3390/colloids3030053
- Kumar, Abhijeet; Trambitas, Alexandra; Peggau, Jörg; Dahl, Verena; Venzmer, Joachim; Gambaryan-Roisman, Tatiana; Kleinen, Jochen (2019): Charge and size matters — How to formulate organomodified silicones for textile applications. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 560, S. 180 – 188, ISSN 0927-7757, https://doi.org10.1016/j.colsurfa.2018.09.080
- Kumar, Abhijeet; Kleinen, Jochen; Gambaryan-Roisman, Tatiana; Venzmer, Joachim (2018): Electrokinetic investigation of deposition of cationic fabric softener vesicles on anionic porous cotton fabrics. Journal of Colloid and Interface Science, 514, S. 132-145, ISSN 0021-9797, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.11.062
Derzeit erfolgt die Auslegung einzelner Maschinen und Arbeitsschritte innerhalb eines gesamten Produktionsprozesses meist separat. In dieser Arbeit werden alle Komponenten als vernetztes System betrachtet unter Einbeziehung des Gebäudes, das beheizt oder klimatisiert werden muss. Dies erfolgt beispielhaft am Referenzprozess der ETA-Fabrik. Neben der Entwicklung einer Methode zur Modellierung eines Produktionsprozesses sollen folgende Fragen beantwortet werden:
- Welche Effizienzsteigerung kann durch eine Vernetzung erzielt werden?
- Welche Maßnahmen sind wirtschaftlich?
- Durch welche Kennzahlen kann ein Produktionsprozess beurteilt werden?
Publikationen:
Winterling, Jella ; Dammel, Frank ; Stephan, Peter (2017): Exergy analysis of thermally interconnected manufacturing processes. Proceedings of the 9th International Exergy, Energy and Environment Symposium, May 14-17, Split, Croatia