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Schaumentstehung und Schaumzerstörung - Beregnung mit arteigener Flüssigkeit

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Flüssige Schäume entstehen durch Begasen oder Entgasen einer
Flüssigkeit. Hier wird gelöstes CO 2 frei und steigt als Blase an die Flüssigkeitsoberfläche. Beim Durchtritt durch die Phasengrenze bilden die Blasen einen stabilen Schaum.
Auch technische Prozesse, hier die Flotation, basieren auf Schaumbildung. Schwer trennbare
Partikeln in der Trübe werden durch Anlagerung von Gasblasen aufgeschwemmt und mit dem Schaum abgetrennt. Bei anderen technischen Prozessen, wie
in dieser biologischen Kläranlage, stört die Schaumbildung den Verfahrensablauf. Eine starke Belüftung und die Anwesenheit grenzflächenaktiver Substanzen können sogar zum Überschäumen führen.
Maßnahmen zur Schaumzerstörung sind dann erforderlich.
Hierfür müssen die Mechanismen von Schaumentstehung und Schaumzerfall bekannt sein. Flüssiger Schaum
ist ein disperses System. Die getrennt aufsteigenden Blasen bilden in der Flüssigkeit eine Dispersion mit einem Gasanteil phi unter 52 Prozent. An der Flüssigkeitsoberfläche berühren sich die Blasen. Es bildet sich ein Kugelschaum, zunächst als lockere Kugelpackung, nur wenig darüber bereits als wesentlich dichtere Kugelpackung. Der Gasanteil liegt zwischen 52 und 74 Prozent. Weiter oben flachen die kugelförmigen Blasen an den Berührungsflächen ab. Die so entstehenden Lamellen bilden den stabilen Polyederschaum, mit phi größer 74 Prozent, meistens über 90 Prozent. Das reale Schaumsystem kann näherungsweise durch regelmäßige Dodekaeder aus 12
5-eckigen Lamellenflächen beschrieben werden. Jede Lamellenfläche gehört zu zwei Dodekaedern. An den Kanten treffen sich jeweils 3 Lamellenflächen unter 120 Grad. Sie bilden dort den Plateau-Rand. Ein Schnitt durch den Plateaurand. Die Krümmungsradien führen aufgrund der Oberflächenspannung zu einem Unterdruck in dem Plateau-Kanal. Durch diesen Unterdruck fließt die interlamellare Flüssigkeit in den Plateu-Rand hinein. Dabei nimmt die Lamellendicke ab, bis sich alle angreifenden Kräfte kompensieren und die stabile Gleichgewichtsdicke erreicht ist.
Die Plateau-Ränder durchziehen wie ein kapillares Netzwerk den gesamten Polyederschaum. Über sie erfolgt eine Flüssigkeitsdrainage zurück in die flüssige Phase. Solche Schäume können mit unterschiedlichen Verfahren zerstört werden:
Hier ein einfaches Modellsystem für die mechanische Schaumzerstörung. Beim Durchstoßen der ersten Blase wird die Nadel benetzt: Weitere Blasen lassen sich damit nicht mehr zerstören.
Sollen reale Schäume mechanisch zerstört werden, sind andere Beanspruchungen der Lamellen erforderlich - hier durch die hohe Deformationsgeschwindigkeit des rotierenden Schaumzerstörers. Bei stabileren Schäumen kann dies jedoch zur Sekundärschaumbildung führen, die durch die Schaumzerstörungsapparatur nicht mehr beherrscht wird.
Chemische Schaumzerstörungsmaßnahmen zeigen eine besonders gute Wirkung. Hierbei kommt es jedoch zur - häufig unzulässigen - Kontamination des Stoffsystems.
Das wird bei der Beregnung mit arteigener Flüssigkeit vermieden. Dieses Verfahren der Schaumzerstörung soll im folgenden näher betrachtet werden. Die Wirkung eines fallenden Tropfens
auf ein reales Schaumsystem ist jedoch sehr komplex. Einfacher zu überschauen ist die Wechselwirkung mit
einzelnen Lamellen - hier in 300facher Zeitdehnung. Lamelle mit einem Durchmesser von Diese relativ dicke 20 mm wird durch den fallenden Tropfen elastisch deformiert und in Schwingungen versetzt. Beim Durchgang des Tropfens verliert die Lamelle geringe Mengen Flüssigkeit - deutlich
auch bei dieser Doppellamelle erkennbar. Weiterhin reduziert sich durch den Austrag von Oberfläche die Tensidkonzentration. Außerdem verbleibt etwas rote Tropfenflüssigkeit in den Lamellen. Unterhalb einer kritischen Dicke oder einer kritischen Tensidkonzentration zerreißt die Lamelle. Während diese Lamellen starr in ihren Ebenen aufgespannt sind, bildet diese
Blase ein System mit beweglichen Wänden. Die induzierten Schwingungen werden durch das eingeschlossene Gas gedämpft. Durch Flüssigkeitsverluste nähert sich die Lamellendicke ihrem kritischen Wert. Bei erneuter Deformation kann es lokal zur Unterschreitung der Gleichgewichtsdicke kommen: Die Blase platzt. Noch einmal.
Bei einem gekoppelten System aus mehreren Blasen überlagern sich die Schwingungen, die in den einzelnen Lamellen induziert werden. Hier hat sich an der untersten Blase Sekundärschaum durch Einschluß von Luft beim Tropfendurchgang gebildet. Er wird beim nächsten Durchgang mitgerissen. Beim Zerplatzen einer inneren Lamelle kann das restliche System stabil bleiben. Auch beim Zerplatzen einer Blase können sich die beiden verbleibenden stabilisieren - bis auch bei der zweiten Blase die kritische Lamellendicke unterschritten wird. Beim realen Schaumsystem lassen sich unterschiedliche Wechselwirkungsmechanismen
beobachten: Hier nahe der Schaumoberfläche dringt der Tropfen nahezu ohne Flüssigkeitsverlust in den Schaum ein. Er bahnt durch Lamellenzerstörung und Blasendeformation eine Gasse. Sekundärschaum entsteht nur minimal. Wenige Zentimeter tiefer erleidet der Tropfen - bei verringerter Geschwindigkeit - einen deutlich größeren Flüssigkeitsverlust. Die Schaumzerstörung ist geringer, die Sekundärschaumbildung stärker geworden. Noch tiefer im Schaumsystem erreicht der Tropfen seine maximale Eindringtiefe. Er löst sich auf und bewässert die Schaumlamellen. Hierdurch wird die Lebensdauer des Schaums lokal erhöht. Die Auftreffgeschwindigkeit der Tropfen muß für eine effektive Schaumzerstörung also so gewählt werden, daß die Eindringtiefe bis nahe an die Flüssigkeitsoberfläche reicht. Damit wird eine rasche Entwässerung in die flüssige Phase gewährleistet.
Diese an Modellsystemen und realen Schäumen in Zeitdehnung beobachteten Vorgänge ermöglichen auch
im technischen Prozeß eine kontrollierte Schaumzerstörung durch Beregnung mit arteigener Flüssigkeit.
Flüssigkeit
Flüssigkeit
Blase
Flüssigkeitsoberfläche
Entgasung
Begasung
Schaum
Korngrenze
Anlagerung
Gasblase
Schaumbildung
Trübe
Grenzflächenaktiver Stoff
Entschäumungsapparat
Schaumbildung
Belüftung
Dispersion
Flüssigkeit
Flüssigkeitsoberfläche
Hochdisperses System
Schaum
Kugelpackung
Mikroskopie
Druckgradient
Flüssigkeit
Unterdruck
Oberflächenspannung
Schaum
Verkantung
Flüssiger Zustand
Druckkraft
Beanspruchung
Blase
Schaum
Entschäumungsapparat
Entschäumen
Nadel
Kontamination
Entschäumungsapparat
Tropfen
Flüssigkeit
Tropfen
Durchgang <Astronomie>
Computeranimation
Mikroskopie
Blase
Dicke
Oberfläche
Planheit
Wand
Deformation
Austragen <Holzbau>
Computeranimation
Geschwindigkeit
Blase
Flüssiger Zustand
Einschluss
Computeranimation
Luft
Entwässerung <Bauwesen>
Beobachter <Kybernetik>
Flüssigkeitsoberfläche
Schaum
Lebensdauer
Entschäumungsapparat
Tropfen
Durchgang <Astronomie>
Mikroskopie
Flüssigkeit
Prozess <Physik>
Schaum
Entschäumungsapparat
Mikroskopie
Verfahrenstechniker
Kamera
Institut für den Wissenschaftlichen Film
Computeranimation

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Schaumentstehung und Schaumzerstörung - Beregnung mit arteigener Flüssigkeit
Alternativer Titel Formation and Destruction of Foam - Spraying with Liquids of the Same Type
Autor Pahl, Manfred H.
Meinecke, Heinrich
Mitwirkende Hartmut Rudolph (Redaktion)
Kuno Lechner (Kamera und Schnitt)
H. Seebode, Thomas Gerstenberg (Assistenz)
Janek Czechowski (Graphik)
Abbas Youssefpour (MAZ-Technik und Bildmischung)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - keine Bearbeitung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt in unveränderter Form zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.3203/IWF/B-1951
IWF-Signatur B 1951
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1997
Sprache Deutsch
Produzent IWF
Produktionsjahr 1995

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Video ; F, 11 1/2 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik
Abstract Flüssige Schäume spielen in zahlreichen verfahrenstechnischen Abläufen eine Rolle; zu ihrer Beherrschung sind Kenntnisse über Aufbau, Bildung und Unterdrückung von Schäumen erforderlich. Grundlegende Eigenschaften dieser dispersen Systeme aus Gasen und Flüssigkeitslamellen werden experimentell an Modellsystemen aus Einzelblasen und im Trick erläutert. Die Mechanismen der Schaumzerstörung durch Beregnung mit arteigener Flüssigkeit werden in starker Zeitdehnung veranschaulicht: Tropfen beim Durchgang durch Einzellamellen und Lamellensysteme sowie beim Eindringen in reale Schaumsysteme. (Hochfrequenzaufnahmen bis zu 10.000 B/s).
Fluid foams play important roles in many processes. In order to control these, knowledge is needed about the structure, formation and destruction of foams. Cartoon simulations of dispersive gas-solution systems. Foam suppression by drizzling with similar liquid. Drops entering single lamellae and lamellae systems.
Schlagwörter Kläranlage
Blasenzerstörung
Blasenbildung
Beregnung
Tropfen
Sekundärschaum
Schwingung / Lamellen
Lamellenschwingung
Kontamination
Flüssigkeitslamellen
Plateau-Kanal
Polyederschaum
Flotation
Schaumbekämpfung
Schaumzerstörung
Schaumentstehung
development / foam
destruction / foam
flotation
polyester foam
plateau-canal
fluid lamellae
contamination
lamellae vibration
secondary foam
drops
drizzle
bubble formation
defoaming
antifoaming agents

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