MONODISPERSE NANO- UND MIKROPARTIKEL HERSTELLUNG SPEZIFISCHER TROPFEN-, PARTIKEL- & KORNGRÖSSEN

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1 MONODISPERSE NANO- UND MIKROPARTIKEL HERSTELLUNG SPEZIFISCHER TROPFEN-, PARTIKEL- & KORNGRÖSSEN

2 Monodisperser Tropfengenerator, Typ MTG-01-G1 Anwendungsgebiete: Beschichtung von Einzeltropfen und Tropfenbahnen Produktion von Granulaten Erzeugung von Kraftstoff- und Brennstoffsprays für Testzwecke Düngemittel- und Granulatproduktion in der Landwirtschaft Kontrollierte Dosierung von Flüssigkeiten Spraykühlung / Tropfenkühlung Rapid Protoyping: Die genau steuerbaren Tropfendurchmesser werden mittels flüssiger Metallschmelze-Tropfen genutzt, um gezielte Formkörper aus Tropfen aufzubauen Pharmazie: Erzeugung von Polymerpartikeln als Medikamententräger Sprühtrocknung: Produktion qualitativ hochwertiger Trockenprodukte mit engster Partikelgrößenverteilung Kalibrierung von Messgeräten für Tropfengrößen- und Geschwindigkeitsmessungen Aerodynamischer Zerfall von Tropfen und F&E-Aufgaben in der Produktionstechnik Waschpulver-Produktion Mehrere der oben aufgelisteten Anwendungsmöglichkeiten werden auf den folgenden Seiten näher beschrieben und zeigen das breite Applikationsspektrum des monodispersen FMP-Tropfengenerators. EINLEITENDE BEMERKUNGEN MONODISPERSE TROPFENGENERATOREN In vielen Bereichen der Industrie werden in unterschiedlichen Produktionsprozessen und anlagen zerstäubte Flüssigkeiten eingesetzt. Die Zerstäubung der Flüssigkeiten erfolgt größtenteils durch Düsen, die polydisperse Sprays ungesteuert erzeugen, so dass das entstehende Spektrum des Tropfendurchmessers nicht gezielt beeinflusst werden kann. Auf diese Weise entstehen Tropfengrößenverteilungen, die sich im Regelfall nicht optimal für den Prozessablauf eignen, da die kleinsten und größten Tropfen in ihren Durchmessern voneinander abweichen. Die Technik der monodispersen Sprayerzeugung ermöglicht hingegen eine gezielte Herstellung monodisperser oder diskret polydisperser Sprays mit einstellbaren Tropfendurchmessern. Die Technik dieser Tropfenbildung basiert dabei auf dem Rayleigh schen Zerfall laminarer Flüssigkeitsstrahlen. Dieser Mechanismus lässt sich durch die Einbringung vibratorischer Störungen in Flüssigkeitsstrahlen gezielt und leicht steuern, um Tropfen bekannter Größen zu erzeugen. NEUARTIGES HERSTELLVERFAHREN Das von FMP TECHNOLOGY GMBH entwickelte Herstellungsverfahren für spezifische, monodisperse Tropfen-, Partikel- und Korngrößen besteht im Wesentlichen aus einem piezoangetriebenen Tropfengenerator mit modular austauschbaren Düsenöffnungen zur variablen Einstellung der gewünschten Tropfengrößen. Die FMP-Tropfengeneratoren erzeugen bis zu monodisperse Einzeltropfen pro Sekunde und eignen sich neben der Produktion von Einzeltropfen auch für die Herstellung großer Tropfenströme. Die entwickelten FMP-Tropfengeneratoren können leicht in bestehende Anlagen integriert werden, um in die Jahre gekommene Anlagen auf den neuesten Stand der Technik zu bringen. Seite 2

3 Die Spraygeneratoren eignen sich neben der Produktion von Einzeltropfen auch für die Realisierung großer Tropfenströme. Diese können auf den gewünschten Durchsatz ausgelegt werden, indem sehr viele Bohrungen in einer Düse über eine Verteilerkammer gleichmäßig mit Flüssigkeit versorgt werden und dadurch voneinander getrennte Tropfenströme ausbilden. Foto 1: Multiple FMP-Tropfenfachkette Foto 2: Singuläre FMP-Tropfenfachkette Die Verteilerkammer sorgt dabei für einen gleichmäßigen Durchfluss durch alle Düsenbohrungen. Die Auslegung dieser Mehrstrahlgeneratoren basiert ebenso auf dem Rayleigh schen Zerfall eines Flüssigkeitsstrahles. MONODISPERSE WASCHMITTELKUGELN Zur Herstellung der Waschmittel werden heute Druckzerstäuber und Rotationszerstäuber eingesetzt, die zu Flüssigkeitstropfen mit breiten Größenverteilungen führen, verbunden mit einem hohen Anteil kleiner Tropfen. Diese gilt es zu entfernen, um eine bessere Handhabung des Waschmittels beim Waschprozess zu gewährleisten. Die FMP TECHNOLOGY GMBH hat hierfür ein neuartiges Verfahren entwickelt, das zu einer innovativen Herstellung der zu trocknenden Tropfen führt. Es kommen Spraygeneratoren zur Anwendung, die Tropfenverteilungen mit nur einer einzigen Tropfengröße erzeugen. Getrocknet entstehen so Waschmittelkügelchen, die alle ein und dieselbe Größe umfassen. Die Größe der Waschmittelkügelchen ist für den Bereich von 0,1 bis 0,5 mm frei einstellbar. FMP-Spraygeneratoren für die Waschmittelproduktion umfassen z.b. 250 Einzelstrahlen und können, je nach Tropfengröße und Ausführung, zwischen 1 und 20 m 3 /h an Waschmittel-Suspensionen verarbeiten. Die optimale, reibungsfreie Integration von FMP-Spraygeneratoren in bestehende Sprühtrockneranlagen wird durch eine intensive Zusammenarbeit zwischen den Waschmittelherstellern und der FMP TECHNOLOGY GMBH sichergestellt. Nach diesem Grundprinzip der Spraysteuerung lässt sich die Durchflussrate bestimmen: V n d 6 3 f G (Tropfenvolumenstrom) n bezeichnet dabei die Anzahl der Düsenbohrungen und f G die Erregerfrequenz der Piezokeramik. Dies gilt für den gesamten Betriebsbereich des Generators, der aus der Bedingung für die Instabilität eines Fluidstrahls resultiert: U D f G λ bezeichnet hier die Wellenlänge des aufgebrachten Störsignals und D den Bohrungsdurchmesser der Düse. Mit diesem Wissen lässt sich die Tropfenbildung gezielt steuern. Seite 3

4 Monodisperser Tropfengenerator, Typ MTG-01-G1 AERODYNAMISCHER ZERFALL VON TROPFEN BEI DER SPRAYBESCHICHTUNG Im Bereich der Spraybeschichtung werden Tropfen erzeugt, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die umgebende Luft fliegen und auf das zu beschichtende Substrat niederschlagen sollen. 1) Schwingungszerfall 2) Blasenzerfall 3) Keulenzerfall 4) Sheet Stripping 5) Wave Crest Stripping 6) Catastrophic Breakout Infolge von aerodynamischen Interaktionen der Tropfen mit der umgebenden Luft, in Abhängigkeit ihrer Größe und Relativgeschwindigkeit, kann es zum Sekundärzerfall von Tropfen kommen, wie dies in der nachfolgenden Abbildung zu erkennen ist. Für die Spraybeschichtung und letztendlich die Schichtqualität ist es wichtig, diesen Sekundärzerfall weitgehend zu vermeiden. Mit Hilfe des monodispersen FMP-Tropfengenerators ist es nun möglich, Tropfen mit diskreter Tropfengröße zu generieren, welche zum Beispiel mit einem Windkanal seitlich angeströmt werden können, um die unterschiedlichen Zerfallsmechanismen gezielt zu produzieren. Der für diese Messungen verwendete Versuchs-aufbau ist in der nebenstehenden Abbildung schematisch dargestellt. Seite 4

5 Bei den dargestellten Tropfenkühlverfahren prallen die einzelnen Tropfen von der Oberfläche zurück, wobei sie dieser Wärme entziehen. Diese werden anschließend von einer Luftströmung, die parallel zu der Oberfläche strömt, mittransportiert, so dass die einzelnen Tropfen keinen Wasser- bzw. Dampffilm auf der heißen Oberfläche bilden können. Somit bietet dieses Tropfenkühlverfahren der FMP TECHNOLOGY GmbH eine ausgezeichnete Möglichkeit, den Abkühlprozess im Detail zu steuern. Der Versuchsaufbau zur Messung des Wärmeübergangs von Tropfen auf einer heißen Nickelplatte ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Mit dem Tropfengenerator erzeugte Tropfenkette, die auf eine heiße Nickelplatte trifft. WÄRMEÜBERTRAGUNG VON TROPFEN In zahlreichen industriellen Applikationen ist es notwendig, neben einer präzisen Wärmebehandlung von Werkstoffen auch einen definierten Abkühlprozess mit rascher Abkühlung (Abschrecken) zu erreichen. Hierzu ist es wichtig, der Oberfläche des Werkstoffes ausreichend Wärme zu entziehen, um eine hohe Abschreckgeschwindigkeit zu erhalten. In gängigen Kühlverfahren mittels Flüssigkeitsbad oder Spraykühlung kann es zum Auftreten des Leidenfrost-Effekts kommen. Schematischer Aufbau zur Messungen des Tropfen-Wärmeübergangs Ist die Temperatur der Oberfläche oberhalb der Leidenfrost-Temperatur, bildet sich eine Dampfschicht zwischen dem heißen Körper und dem Kühlmedium. Diese Dampfschicht beeinträchtigt die Konvektion, so dass die Wärmeübertragung vom heißen Körper auf das Kühlmedium behindert wird. In den experimentellen Versuchen wurden Tropfen mit einem Durchmesser von 150 µm generiert und unter einem bestimmten Winkel auf eine heiße Nickel-Platte geschossen. Mit Hilfe einer Infrarot-Kamera konnte die Wärmeübertragung der auftreffenden Tropfen auf die Nickel-Platte gemessen werden. Durch die Verifikationsexperimente wurde gezeigt, dass die Wärmeübertragung für einen Tropfen bei etwa 5 mj liegt. Die Wärmeübertragungsrate für eine Tropfenkette mit Tropfenfrequenzen von 50 khz liegt somit bei etwa 250 W. Setzt man auf einen Quadratmeter jeden Millimeter eine Tropfenkette, so können Wärmeübertragungsraten von bis zu 250 MW erzielt werden. Monodisperser Mehrfachstrahl-Generator Seite 5

6 Monodisperser Tropfengenerator, Typ MTG-01-G1 Die Kalibriereinheit ist erhältlich mit den Einzellochblenden als Standardausführung in den folgenden Blendengrößen: D = 10 µm, 20 µm, 40 µm, 60 µm, 80 µm, 100 µm Zwischengrößen sind gleichfalls auf Anfrage realisierbar, um Tropfen mit einem Durchmesser im Bereich 15 µm bis 250 µm zu generieren. Die FMP TECHNOLOGY GMBH unterstützt auch bei der Erarbeitung und Umsetzung kundenspezifischer ausgelegter Tropfengeneratoren mit: Einzel-Tropfenkette 62 Tropfenketten, 624 Tropfenketten etc. Ein Versuchsaufbau, der die angedeuteten Funktionen des Tropfengenerators aufzeigt, steht in unserem Labor laufend zur Verfügung und kann für spezifische Versuche getestet und besichtigt werden. In der nachfolgenden Abbildung ist die Kalibrierung eines Phasendoppler-Anemometers mit Hilfe des monodispersen Tropfengenerators zu erkennen Aufbau Tropfengenerator mit dem Kamerasystem zur Messung der Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit KALIBRIEREINHEIT FÜR TEILCHENGRÖßE UND TEILCHENGESCHWINDIGKEIT Der monodisperse Tropfengenerator kann durch seine Funktionsweise auch als Kalibriereinheit für verschiedene Messgeräte eingesetzt werden. Durch die gewählten Düseneinsätze, die Vorgabe einer bestimmten Signalfrequenz für den Tropfengenerator und die Messung des Volumenstromes der sich zu Tropfen formenden Flüssigkeit, ist die Tropfengröße mit einer sehr hohen Genauigkeit vorgegeben. Durch die Auswertung von kinematografischen Aufzeichnungen der monodispersen Tropfen, die über ein durch die Tropfenfrequenz getriggertes Stroboskop festgehalten werden, gelingt es, die Tropfengeschwindigkeit zu ermitteln. Damit kann der monodisperse Tropfengenerator mit hoher Genauigkeit für die Kalibrierung von Messgeräten Einsatz finden, und es erlaubt, die Teilchengröße und Teilchengeschwindigkeit sehr genau zu bestimmen. Unterschiedliche Bauformen des monodispersen Tropfen-Generators zeigen die nachfolgenden Fotografien. Seite 6

7 ERHALTENE AUSZEICHNUNGEN Die FMP TECHNOLOGY GMBH wurde mit den folgenden Preisen ausgezeichnet Gründerpreis Mittelfranken Bayerischer Gründerpreis IHK-Gründerpreis Großer Preis des Mittelstandes Innovationspreis im Wettbewerb des Bundespräsidenten Innovationspreis bei Würzburger Automobilgipfel ÜBER DIE FMP TECHNOLOGY GMBH Im Jahr 2006 wurde die FMP TECHNOLOGY GMBH aus dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen mit dem Ziel gegründet, wissenschaftliche Entwicklungen aufzugreifen und auf deren Basis neuartige, innovative Produkte zu entwickeln und zu vermarkten. In den unterschiedlichen Geschäftsbereichen der FMP TECHNOLOGY GMBH, die alle auf strömungsmechanischen Grundlagen basieren, konnten bahnbrechende Entwicklungen insbesondere für die Beschichtungs- und Spraytechnik durch-geführt werden. In der Beschichtungstechnik betrifft eine Entwicklung der FMP TECHNOLOGY GMBH neuartige Beschichtungsdüsen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Beschichtungsdüsen können erstmalig unterschiedlichste Flüssigkeiten mit nur einer Beschichtungsdüse ohne Qualitätseinbußen verarbeitet wer-den. Gegenwärtig auf dem Markt verfüg-bare Beschichtungsdüsen müssen hingegen grundsätzlich für ein konkretes Beschichtungsfluid speziell ausgelegt werden, so dass Anwender bisher in zahlreiche, verschiedenartige Beschichtungsdüsen investieren mussten. IMPRESSUM Copyright 2014 FMP TECHNOLOGY GMBH Am Weichselgarten 34 D Erlangen Fon +49 (0) Fax +49 (0) Herstellung: FMP TECHNOLOGY GMBH Nachdruck: Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil darf ohne schriftliche Genehmigung vervielfältigt werden. Auch auf dem Gebiet der Spraytechnik hat die FMP TECHNOLOGY GMBH beispielsweise neuartige, monodisperse Tropfengeneratoren entwickelt und erfolgreich industrialisiert. Die Technik der monodispersen Sprayerzeugung ermöglicht erstmalig eine gezielte Herstellung diskret polydisperser Sprays mit einstellbaren Tropfendurchmessern. Dieser Mechanismus lässt sich durch vibratorische Anregung der Flüssigkeitsstrahlen gezielt und leicht steuern, um Tropfen bekannter Größen zu erzeugen. Seite 7