Einfluss niederfrequenter Fluidresonanzschwingungen auf den Stoffaustausch in Blasensäulen im System Wasser Luft

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Elizabeth Glöckner
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1 Einfluss niederfrequenter Fluidresonanzschwingungen auf den Stoffaustausch in Blasensäulen im System Wasser Luft Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur ( Dr.- Ing. ) genehmigt durch die Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät ( Ingenieurwissenschaftlicher Bereich) der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg von Dipl.-Ing. Bashir Gebril Hussein geb. am 22. April 1970 in Tripolis Dekan der Fakultät: Prof. Dr.-Ing. habil.h. Altenbach Gutachter: 1. Prof. Dr. sc. techn. K.-H. Baumann 2. Prof. Dr.-Ing. D. Mewes 3. Prof. Dr.-Ing. J. Briesovsky Merseburg, den urn:nbn:de:gbv: [

2 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Institut für Umwelttechnik, in der Abteilung Apparate- und Anlagentechnik im Fachbereich Ingenieurwissenschaften der Martin- Luther- Universität Halle- Wittenberg. An dieser Stelle möchte ich die Gelegenheit wahrnehmen, um mich bei meinem verehrten Lehrer, Herrn Prof. Dr. K.-H. Baumann, für die Anregung der Arbeit, die in Diskussionen gegebenen wertvollen Hinweise und stets gewährte Unterstützung und Förderung recht herzlich zu bedanken. Herrn Prof. Dr. J. Briesovsky gebührt ebenso mein Dank für die wertvollen Diskussionen, Anregungen und zahlreichen kritischen Hinweise. Außerdem möchte ich allen Mitarbeitern des Institutes, die durch Diskussion und tatkräftige Mithilfe zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben, herzlich danken, insbesondere Herrn Dozent Dr. Ing. G. Blacha und Herrn Dr. Ing. W. Schmidt. Weiterhin danke ich Frau Schröder, Frau Müller-Siggelkow und Frau Jakob für die allzeit gute Zusammenarbeit. Dank gilt auch Herrn Prof. Dr. S. Otte für die Unterstützung in der Endphase und bei der Niederschrift der Arbeit. Nicht zuletzt möchte ich meinen Eltern für die umfangreiche Unterstützung und meiner Ehefrau für ihr Verständnis herzlich danken. II

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Aufgabenstellung Theoretische Grundlagen Berechnungen von Blasensäulen Stofftransport in der Blasensäule Definition des flüssigkeitsseitigen Stoffübergangskoeffizienten k L Definition der volumenbezogenen Phasengrenzfläche a G Definition des volumenbezogenen Stoffübergangskoeffizienten k L a Messung der Blasengrößenverteilung bzw. des Blasendurchmessers Theoretische Untersuchungen von Resonanzschwingungen Einfluss von Schwingungen auf den Stoffaustauschprozess Berechnung der Resonanzfrequenz Experimentelle Untersuchungen Aufbau der Versuchsanlage Funktionsweise und Betrieb Ermittlung der Resonanzfrequenz und Amplitude der Blasensäule in Abhängigkeit von der Wasserhöhe und dem integralen Gasgehalt ϕ G Ermittlung und quantitative Erfassung der Charakteristik der Sauerstoff - Elektrode Untersuchungen des Blasenregimes (Anzahl, Verteilung, Größen ) ohne und mit Resonanzschwingungen

4 4.4.1 Zur Methodik der Informationsgewinnung Die Bilderzeugung Untersuchungen zum Stoffaustausch im System Wasser - Luft ohne und mit Resonanzschwingungen Bestimmung desk L a- Wertes mit der dynamischen Methode Messung des Konzentrations-Zeit-Verlaufes des Sauerstoffes im Wasser Bestimmung des integralen Gasgehaltes ϕ G Auswertung der Versuchsergebnisse Auswertungsmethode Berechnung des theoretischen Sauerstoffkonzentrations-Zeit-Verlaufes in der flüssigen (C L ) und in der gasförmigen (C G ) Phase...: Berechnung der theoretischen Werte der Elektrodenanzeige (C E ) Fehlerbetrachtung Ergebnisse und Diskussion Verhalten der Sauerstoffelektrode Vergleich der analytischen mit der numerischen Lösung Einfluss der Resonanzschwingungen auf das Blasenspektrum Einfluss der Resonanzschwingungen auf den integralen Gasgehalt ϕ G Einfluss der Resonanzschwingungen auf den volumenbezogenen Stoffübergangskoeffizientenk L a Vergleich der Versuchsergebnisse mit der Literatur

5 7 Zusammenfassung und Ausblick Symbolverzeichnis Literaturverzeichnis...94 Erklärung 3

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