Untersuchung des Fließ- und Mischverhaltens von Wasser und Aceton in einem mikrostrukturierten multilamellaren Glasmischer mittels bildgebender Magnetresonanzverfahren
Englert, Sven - Universität Aachen (2011)
Mittels NMR-Mikroskopie konnte ein Mischprozess innerhalb eines kommerziellen interdigitalen Mikromischers ohne Einflussnahme durch Tracerpartikel oder in das System eingebrachte Messsonden abbgebildet werden. Durch die Anwendung frequenzselektiver Hochfrequenzpulse war es möglich, das vollständig mischbare System Wasser/Aceton getrennt abzubilden. Die erreichte Auflösung erlaubt die Unterscheidung zwischen rein diusionsgesteuerten Vorgängen und konkurrierenden Phänomenen der Stromverbreiterung und der Oberflächenbenetzung. Die beobachteten Spindichtebilder bei geringen Geschwindigkeiten sind nicht allein durch die Diffusion der Komponenten ineinander zu erklären. Erst die Anwendung eines Modells, welches die Ausbildung einer kontinuierlichen Phase der Komponente mit den besseren Benetzungseigenschaften auf der Glasoberfläche beschreibt, erlaubt eine vollständige Interpretation.
Es konnte eine geschwindigkeitsabhängige Aufweitung der Ströme in der Mitte des Mischkanals beobachtet werden. Diese Verbreiterung ist auf den positionsabhängigen Strömungswiderstand, möglicherweise hervorgerufen durch eine Querschnittsänderung, sowie die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der beiden Komponenten zurückzuführen. Diese Unterschiede sollten unter anderem in einer Differenz der Fließgeschwindigkeiten der beiden Komponenten resultieren. Durch diese Asymmetrie im Fließmuster ist ein gleichmäßiges diffusionsgesteuertes Mischen der beiden Komponenten innerhalb des beobachteten sensitiven Volumens nicht möglich. Diffusionsgesteuertes Mischen kann bei dem beschriebenen System allenfalls an den Kanalwänden stattfinden.
Zur Untermauerung der mit frequenzselektiver Anregung gemachten Beobachtungen bezüglich der geschwindigkeitsabhängigen Verbreiterung der Ströme und einer Differenz der Fließgeschwindigkeit beider Komponenten wurden entsprechende Geschwindigkeitsmessungen mit der Methode der Magnetresonanz realisiert. Mit eindimensionalen Geschwindigkeitsmessungen konnte eine Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Mischkanals gemessen werden, die sich in der Größenordnung der theoretisch erwarteten befinden. Bereits bei den eindimensionalen Geschwindigkeitsverteilungen konnten einige Abweichungen von der gängigen Theorie beobachtet werden. Diese haben ihren Ursprung offensichtlich in der Abweichung der Mischergeometrie von der idealen, den Herstellerangaben entsprechenden Geometrie. Die Anwendung der ortsaufgelösten Geschwindigkeitsmessung auf ein solches System ist, aufgrund der langen Messzeiten und der sehr komplexen Geometrie des Mischers, mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Durch eine Korrektur, d.h. die Subtraktion der querschnittsgemittelten Geschwindigkeiten entlang der Flussrichtung von den jeweiligen Messpunkten, konnten wertvolle qualitative Informationen über die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Kanals gewonnen werden. Abweichend von der Theorie der Spaltströmung zeigte sich die Verlagerung der Geschwin- digkeitsmaxima hin zu beiden Seiten der Kanalmitte. Laut Theorie liegt das Geschwindig- keitsmaximum der Spaltströmung in der Kanalmitte, in der bei den vorliegenden Untersuchungen ein Minimum der Geschwindigkeit ermittelt wurde. Als Ursache hierfür wird zunächst ein Fertigungsfehler, d.h. eine Querschnittsänderung des Mischkanals durch eine Reduzierung der Kanalhöhe von den Rändern zur Mitte hin, vermutet. Diese Vermutung wird schließlich durch eine Fotografie des Kanalquerschnittes eines baugleichen, zersägten Mischers bestätigt.
Ein weiteres Phänomen der Stromverbreiterung, welches schon bei der selektiven Anregung beobachtet wurde, konnte identifiziert werden. Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der Mischkomponenten haben neben den festgestellten Unregelmäßigkeiten in der Mischergeometrie einen signifikanten Einfluss auf die beobachtete Geschwindigkeitsverteilung.