Beispiel 1: Airknives und Düsenfelder

Wenn Sie Düsenfelder endlich verstehen wollen ...

In zahlreichen Prozessen zur Trocknung, bzw. Wärmeübertragung kommen Felder aus Loch- oder Schlitzdüsen zum Einsatz.

Bereits seit Jahrzehnten werden solche Düsenfelder immer wieder ausgiebig untersucht. Sie sind in der einchlägigen Literatur (z.B. VDI-Wärmeatlas) ausführlich beschrieben.

Tatsächlich ist das Thema aber immer wieder Gegenstand aktueller Forschung. Die Strömungsvorgänge sind sehr verwickelt und zudem meßtechnisch nur aufwendig oder gar nicht zu erfassen. In der Vergangenheit verwendete indirekte Meßmethoden (z.B. die Analogie zwischen Wärme- und Stoffübergangsvorgängen) bergen zahlreiche Fehlerquellen.

Neue meßtechnische Ansätze ergänzen die Erkenntnisse aus älteren Messungen oder entlarven immer wieder selbst jahrzehntealte Lehrsätze als Ergebnis von Fehlschlüssen. Literaturwerte aus verschiedenen Quellen zum Wärmeübergang zwischen Prallstrahlen und einer festen Wand unterscheiden sich um bis zu 300%. Die Literaturlage ist alles andere als konsistent.

Seit einiger Zeit ist es möglich, den Wärmeübergang zwischen Düsenfeldern und Oberflächen, z.B. einer Platte nicht nur integral, sondern auch örtlich und zeitlich aufgelöst zu erfassen. Seit der Jahrtausendwende ist hierzu eine ganze Reihe von Forschungsarbeiten an verschiedenen Hochschulen entstanden. Die nun möglichen Messungen zeigten, daß die in der Literatur hinterlegten Bestimmungsgleichungen die tatsächlichen Vorgänge nur teilweise richtig und auch nur im zeitlichen Mittel korrekt wiedergeben.

Die numerische Strömungssimulation kann aktuelle Forschungsergebnisse nicht vorwegnehmen. Sie kann auch das Experiment nicht ersetzen. Sie protokolliert aber systembedingt alle Parameter im gesamten System. Das ist ein Vielfaches dessen, was meßtechnisch jemals erfaßbar wäre. Diese Parameter stehen auf Wunsch räumlich und zeitlich aufgelöst im gesamten Volumen zur Auswertung zur Verfügung.

Zum Beispiel ist es möglich, einzelne Stromfäden oder Partikel zu verfolgen. Dasselbe gilt für die Strömungszustände entlang ihres Weges. Alle Parameter können in vielfältiger Weise visuell dargestellt werden. Die folgenden Beispiele zeigen nur einen kleinen Ausschnitt der Darstellungsmöglichkeiten.

Wo das Experiment den Ist-Zustand quantitativ dokumentiert, erleichtert die Strömungssimulation daher vor allem das Verständnis des Ist-Zustandes. Sie macht Zusammenhänge deutlich, die im Experiment verborgen bleiben. Sie zeigt damit auch, wo Möglichkeiten zur Optimierung bestehen und wo es voraussichtlich keine Möglichkeiten mehr zur Verbesserung gibt.

Zu Vergleichszwecken können auch Anordnungen untersucht werden, die fertigungstechnisch nicht oder nur mit unvertretbarem Aufwand herstellbar wären.

Das folgende Beispiel zeigt eine Leiterplatte unter zwei verschiedenen Düsenfeldern, wie sie u.a. in Reflow-Lötanlagen verwendet werden. Auslöser für diese Simulation waren übrigens die völlig widersprüchlichen Versuchsergebnisse, zu denen zwei verschiedene mit der Optimierung beauftragte Hochschulen gekommen waren.

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1. Schlitzdüsenfelder
Luftgeschwindigkeiten 1 mm über der Leiterplatte: Anfangsbedingung: Die Strahlen verlassen die Schlitzdüsen mit idealem Geschwindigkeits-profil (in der Praxis kaum zu erzielen). Dennoch ist in ein und derselben Anordnung alles möglich: Der Luftstrahl kann tatsächlich annähernd so an der Leiterplatte ankommen, wie er erzeugt wurde (oberer Strahl), aber auch auf dem Weg zur Leiterplatte chaotisch zerfasern (mittlerer und unterer Strahl). Die Videoanimation zeigt die Strahlentwicklung von der Düsenmündung bis zur Leiterplatte. Der Umriß der Leiterplatte ist als rote Phantomkontur eingezeichnet.	Die Isotachen mit 10 m/sec zeigen das Problem: Während sich der hintere Strahl bis kurz vor dem Auftreffen auf die Oberfläche eben und stabil bleibt, fransen die beiden vorderen schon bald aus. Eine große Rolle spielt die Wechselwirkung zwischen den Strahlen. Während ein Einzelstrahl noch vergleichs-weise gut zu beherrschen ist, wird das Verhalten mit zunehmender Anzahl wechselwirkender Strahlen unkalkulierbar. Alle drei Strahlen weisen dieselbe Entstehungsgeschichte auf. Die Leiterplatte hat eine plane Oberfläche ohne Aufbauten. Dennoch entwickeln sich die Strahlen nach Verlassen der Düsenmündung völlig unterschiedlich. Der Strömungszustand in diesem Beispiel unterliegt starken zeitlichen Schwankungen. Bei langsam ablaufendenen Durchlaufprozessen können sich Inhomogenitäten im zeitlichen Mittel ausgleichen. Sie bleiben aber auch dann instabil und schwer beherrschbar.
2. Lochdüsenfelder
Luftgeschwindigkeit 1 mm über der Leiterplatte: Ein regelmäßiges, reproduzierbares Raster bildet sich aus. Zwar gibt es Zonen hoher und niedriger Geschwindigkeit. Dasselbe gilt für den lokalen Wärmeübergang. Wichtiger ist aber, daß diese Zonen reproduzierbar sind. Streifenbildung läßt sich durch geeigneten Versatz der Löcher sicher verhindern. Die Videoanimation zeigt die Strahlentwicklung von der Düsenmündung bis zur Leiterplatte. Der Umriß der Leiterplatte ist als rote Phantomkontur eingezeichnet.	Die Isotachen aller Strahlen (10 m/sec) haben annähernd gleiche Konturen. Eine Wechselwirkung zwischen den Strahlen ist (bei richtiger Auslegung) praktisch nicht erkennbar. Nennenswerte zeitliche Schwankungen sind im Beispiel ebenfalls nicht erkennbar. Bei den in Lötprozessen gebräuchlichen Abmessungen ist es übrigens unerheblich, ob die Luft direkt zwischen den Düsen wieder abgesaugt wird, oder entlang der Platte zum Rand hin abströmen muß.