Numerische Untersuchung der laminaren Mischung, Reaktion und des konjugierten Wärmeübergangs in modularen mikrofluidischen Systemen

In zahlreichen Prozessen in der Chemie- und Verfahrenstechnik erlangen

mikrofluidische Systeme aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften eine wachsende

Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es unter anderem, neben Modellen und

theoretischen Aspekten die besonderen Gegebenheiten bei der numerischen

Simulation mikrofluidischer Systeme in der Praxis darzustellen.

Im Grundlagenteil erfolgt, neben einer Beleuchtung des Einflusses der

geometrischen Skalierung von makroskopischen auf mikroskopische Skalen auf den

Wärme- und Stoffübergang sowie den chemischen Stoffumsatz, die Darstellung

verschiedener Methoden zur Beurteilung der Mischungsgüte in mikrofluidischen

Systemen. Als Erweiterung eines ursprünglich experimentellen Ansatzes zur

Mischungscharakterisierung wird die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte

numerische Implementierung des Villermaux-Dushman-Reaktionssystems in einen

kommerziellen CFD-Code vorgestellt. Die Analyse der geometrischen

Herabskalierung zeigt, dass unter Annahme geometrischer Ähnlichkeit Mikrosysteme

gegenüber Makrosystemen bezüglich ihres hydrodynamischen Verhaltens sowie des

Speziestransports keine Unterscheide aufweisen. Hinsichtlich der thermischen

Kontrolle steht im Falle einer Herabskalierung einem konstanten Verhalten der

Kenngröße für die konvektive Wärmeabfuhr ein quadratischer Dämpfungseinfluss der

Skalierung auf die reaktive Wärmefreisetzung gegenüber. Mikrofluidische Systeme

ermöglichen somit eine gute thermische Kontrolle exotherm verlaufender Reaktionen.

Im Praxisteil zeigen Untersuchungen der Mischungsquantifizierungsmethoden, dass,

je nach Ansatz, sich teils sehr hohe Anforderungen an die numerische Auflösung des

Berechnungsgebiets stellen. Weiterhin wird dargelegt, dass bei moderatem

Berechnungsaufwand gute Übereinstimmungen zwischen experimentellen und

numerischen Resultaten unter Einsatz des im Rahmen der vorliegenden Arbeit

entwickelten CFD-Modells zur Abbildung des Villermaux-Dushman-

Reaktionssystems erzielt werden können.

Im Rahmen der numerischen Untersuchung mikrofluidischer Wärmeübertrager wird

der Einfluss verschiedener Übertragungskonzepte (Kreuzgegenstrom- und reines

Kreuzstromkonzept) vorgestellt sowie die spezifischen Vor- und Nachteile der

einzelnen Designs herausgearbeitet.