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Die Oberflächenspannung und deren Bedeutung für die Düsentechnik


Die Oberflächenspannung wird üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben σ bezeichnet. Ebenso wie die Viskosität η beziehungsweise ν und die Dichte ρ zählt sie zur Rheologie einer Flüssigkeit und somit zu den spezifischen Stoffeigenschaften.

Für das Durchströmen des Zerstäubers selbst ist sie nicht von Bedeutung. Dieses gilt allerdings nur, wenn innerhalb der Düse kein Zweiphasen-Gemisch erzeugt wird! Dieses ist zum Beispiel bei den Zweistoff-Düsen innerer Mischung der Fall. 

Die Einheit der Oberflächenspannung – ein Widerspruch?

Aus der Mechanik sowie der Strömungstechnik ist bekannt, dass Spannungen in der Regel die Einheit „N/m2“ besitzen. Gemeint ist hiermit also eine Kraft je Flächeneinheit.

Die Einheit der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten.

Diese spezielle Spannung besitzt jedoch die Einheit „N/m“.

Ist das ein Widerspruch oder gar ein Fehler?

Zur Erklärung der Oberflächenspannung als Linienspannung.

Bild: Galaktico, Fest fluessig grenze, Um Erklärungen ergänzt., CC BY-SA 3.0

Die Besonderheit liegt darin begründet, dass die Oberflächenspannung eine Linienspannung ist. Hierzu eine kurze Erklärung. 

Befindet sich beispielsweise ein Wassermolekül vollständig  im Inneren einer ruhenden und homogenen Menge an Wasser in einem Becherglas, sind die auf dieses Molekül einwirkenden resultierenden Kräfte gleich Null. 

Die Situation ändert sich jedoch, wenn dieses betrachtete Molekül in die Grenzschicht zwischen dem Wasser und der umgebenden Luft gelangt.

Es entsteht ein wirksame und in die Flüssigkeit hinein gerichtete resultierende Kraft. Vereinfacht kann man sich gedanklich die Oberflächenspannung somit als eine dünne, nur eine Molekül-Lage starke, Membran vorstellen.

Wegen dieser geringen Ausdehnung dieser gedachten Membran definiert man die Oberflächenspannung σ als sogenannte Linienspannung. Und hieraus resultiert somit die Einheit „Kraft je Länge“.

Warum die Oberflächenspannung die Tropfengröße im Spray beeinflusst

Die in die Flüssigkeit hinein gerichtete Kraft aufgrund der Oberflächenspannung führt an der gekrümmten Oberfläche eines Tropfens zu einem Innendruck pi.

Hierzu ein Gedanken-Experiment: Wäre es möglich, ein Manometer an einen Tropfen „anzuschließen“, so könnte man eine Druck ablesen. Und dieser Druck kann je nach Tropfengröße und Betrag der Oberflächenspannung ganz beachtlich sein! 

Ein Wassertropfen mit einem Durchmesser von 1 µm, das ist 1/1000 mm, weist einen Innendruck von nahezu 2,9 bar auf! Ein gleich großer Tropfen aus Quecksilber bereits 18,8 bar!

Betrachtet man diese Werte, wird sofort Folgendes sehr deutlich! Das weitere Zerteilen eines kleinen Tropfens, der einen hohen Innendruck aufweist, ist also außerordentlich schwierig.

Der Tropfen ist sehr stabil und widersetzt sich einer Deformation beziehungsweise einer Zerteilung. Und genau dieses sekundäre Zerteilen von Tropfen findet in einem von Turbulenz geprägten Sprayfeld statt.

Dieses ist auch die Ursache dafür, dass technische Düsen und Zerstäuber nur mit sehr großem Aufwand durchgängig extrem feine Tropfen in einem Spray liefern können.

Oberflächenspannung und Tropfendurchmesser – Ist ein Tropfen wirklich eine Kugel?

Je höher der Innendruck pi in einem sich bewegenden Tropfen ist, umso stabiler ist er. Und umso mehr wird er natürlich eine ideale Kugelform annehmen, auch wenn äußere Kräfte angreifen.

Diese Kräfte können durch ein strömendes Gas (Luft) aus einer Zweistoffdüse hervorgerufen werden. Aber auch bei Einstoff-Druckdüsen sind Wechselwirkungen zwischen der Flüssigkeit und der umgebenden Atmosphäre vorhanden. Meistens ruht hier die Umgebungsluft und die Tropfen bewegen sich. Jedoch auch bei dem Zerfall von Flüssigkeitslamellen und Flüssigkeitsstrahlen spielt diese Stoffgröße eine Rolle.

Oberflächenspannung, Tropfendurchmesser und äußere Kräfte bestimmen die Tropfenkontur.

Entscheidend für die reale Kontur eines Tropfens ist also die Oberflächenspannung und der Tropfendurchmesser selbst.

Grundsätzlich kann man sagen, dass die Tropfen in einem Spray tendenziell kleiner werden, wenn der Betrag dieser Stoffgröße abnimmt. Dieses kann zum Beispiel durch eine Temperaturerhöhung erfolgen oder durch die Zugabe von Tensiden.

Oberflächenspannung nicht mit der Grenzflächenspannung verwechseln

Die Grenzflächenspannung und der aus ihr resultierende Randwinkel α bestimmen, ob sich eine Flüssigkeit gegenüber einem Feststoff benetzend oder eben nicht benetzend verhält. Dieser Feststoff kann natürlich auch eine Düsenwerkstoff sein!

Benetzung und Nicht-Benetzung von Flüssigkeiten gegenüber Feststoffen.

Beispiel für eine Nichtbenetzung.

Allerdings spielt die Frage der Benetzung beziehungsweise Nicht-Benetzung nur bei den sogenannten quasistatischen Tropfenbildungmechanismen und bei Rotationszerstäubern eine nennenswerte Rolle.

 

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