DD160783A3 - METHOD AND DEVICE FOR THE CONTINUOUS DETERMINATION OF RHEOLOGICAL SUBSTANCES - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR THE CONTINUOUS DETERMINATION OF RHEOLOGICAL SUBSTANCES Download PDF

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DD160783A3
DD160783A3 DD23011081A DD23011081A DD160783A3 DD 160783 A3 DD160783 A3 DD 160783A3 DD 23011081 A DD23011081 A DD 23011081A DD 23011081 A DD23011081 A DD 23011081A DD 160783 A3 DD160783 A3 DD 160783A3
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Hartmut Schiefer
Rainer Schnabel
Klaus Gehrmann
Hans-Sieghard Petras
Ernst-Otto Reher
Fritz Endler
Reinhard Nitzsche
Konrad Lorenz
Original Assignee
Leuna Werke Veb
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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung rheologischer Stoffwerte bei unterschiedlichen Beanspruchungsbedingungen. Die Erfindung hat zum Ziel, kontinuierlich rheologische Stoffwerte bei geringen Aufwendungen zu ermitteln, wobei die Vorrichtung in einem weiten Beanspruchungsbereich einstellbar sein und eine grosse Stoerungsunanfaelligkeit aufweisen soll, sowie durch das Verfahren rheologische Stoffwerte bestimmt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung rheologischer Stoffwerte bei laminarer Druckstroemung, unterschiedlichen Beanspruchungen und hoeher Stroemungsunanfaelligkeit zu schaffen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass Stoffstroeme durch Duesensysteme (in Reihe und/oder parallel), von denen wenigstens eins mehrere Duesen aufweist, geleitet, dabei die Druckverkuste ueber den Duesensystemen (Duesenanzahl k unten 1, k unten 2...> gleich 1 und k unten 1 = k unten 2 =...= 1) bestimmt und aus geometrischen und stroemungstechnischen Bedingungen mittels Stoffgleichungen rheologische Stoffwerte berechnet werden. Die Anwendung der Erfindung ermoeglicht in Prozessen mit fluiden Stoffstroemen, z.B. bei Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen durch die kontinuierliche Stoffwertbestimmung eine Qualitaetssicherung und Prozessoptimierung.The invention relates to methods and apparatus for the continuous determination of rheological properties under different loading conditions. The object of the invention is to continuously determine rheological material values at low cost, the device being able to be adjusted within a wide range of stresses and having a high level of interference immunity, and rheological values being determined by the process. The object of the invention is to provide methods and apparatus for the continuous determination of rheological material values with laminar Druckstroemung, different stresses and high Stroemungsunanfaelligkeit. According to the invention, this object is achieved in that material flows through nozzle systems (in series and / or parallel), at least one of which has several nozzles, thereby reducing the pressure over the nozzle systems (nozzle number k below 1, k below 2.. 1 and k below 1 = k below 2 = ... = 1), and from geometric and flow-technical conditions rheological material values are calculated by means of substance equations. The practice of the invention allows for processes involving fluid flows, e.g. Quality assurance and process optimization in manufacturing and processing processes through continuous material value determination.

Description

230110 2230110 2

LP 8139LP 8139

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung rheologischer St off werte . ', Method and device for the continuous determination of rheological St off values . '

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung ztir kontinuierlichenBestimmung rheologischer Stoffwerte, insbesondere von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wie Polymer schmelzen und -lösungen, bei unterschiedlichen, definierten Beanspruchungsbedingungen.The invention "relates to a method and an apparatus for the continuous determination of rheological properties, in particular non-Newtonian fluids such as polymer melts and solutions, under different, defined stress conditions.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen ·,Characteristic of the known technical solutions ·,

Die Bestimmung rheologischer Stoffwerte erfolgt u. a. bekanntermaßen dergestalt, daß dem Stoffström in vorgegebenen Zeitabständen Proben entnommen und in Rheometern ihre rheologischen Stoffwerte bestimmt werden; solche Rheometer sind zum Beispiel Kapillarrheometer, Rotationsrheometer .mit zylindrischem Scherspalt, Kegel-Platte- oder Platte-Platte- Viskosimeter (Autorenkollektiv} Prüfung hochpolymerer Werkstoffe, Leipzig 1977)· Desweiteren sind Ilfeßsysteme bekannt, mit denen es möglich ist, unmittelbar, kontinuierlich rheologische Stoffwerte zu messen. So ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung rheologischer Eigenschaften nicht-iiewtonscher Flüssigkeiten bekannt (US-Patentschrift 3468158), die darauf K basiert, daß der Stoffstrom durch mehrere gleiche oder unterschiedliche Kapillaren, die parallel oder in Serie geschaltet sind, hindurchtritt. Dabei wird die Volumendosierung mit einer oder mehreren Fördereinrich-The determination of rheological material values is carried out, as is known, in such a way that samples are taken from the material stream at predetermined time intervals and their rheological material values are determined in rheometers; such rheometers are, for example, capillary rheometer, Rotationsrheometer. with cylindrical shear gap, cone-plate or plate-plate viscometer (author collective} Examination of hochpolymerer materials, Leipzig 1977) · Furthermore, Ilfeßsysteme are known, with which it is possible, immediately, continuously rheological properties to eat. Thus, an apparatus for the continuous determination of rheological properties of non-ionic liquids is known (US Pat. No. 3,468,158), which is based on K passing through the material stream through a plurality of identical or different capillaries connected in parallel or in series. The volume dosing with one or more conveyor

2QMAI1981.*93&9slH.2QMAI1981. * 93 9slH.

-a--a-

tungen vorgenommen und die Druckverluste über den Kapillaren werden gemessen.. Es ist auch bekannt, rheologische ,St off werte dadurch zu bestimmen, daß der Stoff in einem abgeschlossenen oder für den fortlaufenden Stoffdurchgang eingerichteten System gleichzeitig mehreren Scherfeldern, zum mindesten aber einem Schleppströmungs- und einem Druckströmungsfeld unter vorgegebenen Beanspruchungsbedingungen ausgesetzt wird (DE OS 1798201).It is also known to determine rheological St off values by the fact that the substance in a closed or for continuous material passage system simultaneously several shear fields, but at least one Schleppströmungs- and a pressure flow field under predetermined stress conditions is exposed (DE OS 1798201).

In ähnlicher Weise werden ein oder mehrere Scherfelder in einem Fließsystem, bestehend aus einer Einheit, welche einen Volumenstrom bestimmter Temperaturen und Drücke erzeugt und mit einem Kap ill ar meß sy stem verbunden ist, realisiert, wobei ein Regelsystem dafür sorgt, daß ein vorgegebener Druck und in Verbindung mit der Kapillare entsprechende Schubspannungen eingestellt werden. Durch Umschaltung auf eine Kapillare anderer Geometrie wird die Beanspruchungsbedingung variiert (Technische Informationsschrift Seiscor-Schmelz-Rheometer, Schwing Verfahrenstechnik KG/Duisburg-Buchholzj Rheologie - IHPO Hr.. 3/80, Göttfert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH).Similarly, one or more shear fields are realized in a flow system consisting of a unit which generates a volume flow of specific temperatures and pressures and is connected to a capillary system, a control system ensuring that a predetermined pressure and pressure are achieved corresponding shear stresses can be set in conjunction with the capillary. Switching to a capillary of other geometry, the stress condition is varied (Technical Information Seiscor-melt rheometer, Schwing Process Engineering KG / Duisburg-Buchholzj Rheology - IHPO Hr .. 3/80, Göttfert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH).

Bei der wiederholten Entnahme von Proben aus dem Stoffstrom und ihrer rheologischen Charakterisierung in klassischen Rheometern, z. B. iui Kapillarrheometer sind die gerätetechnischen und zeitlichen Aufwendungen sehr hoch. Für die Steuerung oder Regelung der rheologischen oder damit korrelierender Eigenschaften des Stoffstromes ist der Zeitverzug zwischen Probenentnahme und der durch die rheologische Charakterisierung getroffenen Entscheidung oft unvertretbar groß. Werden die rheologischen Eigenschaften unmittelbar, kontinuierlich nach US-Patentschrift 5468 I58 bestimmt, so ist von Hachteil, daß Störungen im Stoff strom, z. B. in Form von Inhomogenitäten, beita Durchtritt durch die Kapillare zu einer erheblichen Abweichung vom mittleren Meßsignal führen und damit Ausgangspunkt von' falschen Eingriffsentscheidungen sind; außerdem liegt pro Meßpunkt jeweils nur ein Einzelmeßwert vor. Auch ist die Anpassung der Kapillaren an den festgelegten Beanspruchungsbereich aus geometri-In the repeated removal of samples from the stream and their rheological characterization in classical rheometers, z. B. iui capillary rheometer are the equipment and time costs are very high. For the control or regulation of the rheological or thus correlating properties of the material flow, the time delay between sampling and the decision made by the rheological characterization is often unreasonably large. If the rheological properties are determined directly, continuously according to US Pat. No. 5,468,158, Hachteil states that disturbances in the substance stream, eg. B. in the form of inhomogeneities, beita passage through the capillary lead to a significant deviation from the average measurement signal and thus are the starting point of 'wrong intervention decisions; In addition, there is only one single measured value per measuring point. The adaptation of the capillaries to the specified stress range is also

LJU i I L JU i I

sehen und/oder therinisch-rheologischen Gründen oft problematisch.see and / or therian-rheological reasons often problematic.

Wird dagegen mit einem Schlepps tr ötaungs- und einem Druckströmungsfeld gearbeitet, wie in DE OS 1798 201 vorgeschlagen, so kann durch die Beanspruchungsabhängigkeit der rheologischen Daten, z. B. durch den Einfluß des hydrostatischen Druckes und der dissipierten Energie, die Übertragbarkeit erheblich eingeschränkt werden; der Aufwand bei dieser Lösung ist sehr hoch. .On the other hand, if a drag flow field and a pressure flow field are used, as proposed in DE OS 1798 201, the stress dependence of the rheological data, eg. B. by the influence of the hydrostatic pressure and the dissipated energy, the transferability are significantly limited; the effort in this solution is very high. ,

Die Umschaltung auf Kappilaren verschiedener Geometrie, die im Seitenstrom angeordnet sind, wie beim Seiscor-Schmelz- . Rheometer realisiert, erfordert einen hohen Aufwand, insbesondere für die Steuerung, und es entstehen strömungstechnische Probleme, z. B. bei der Beschleunigung des Materials und durch-Einlaufeffekte.The switching to capillaries of different geometry, which are arranged in the side stream, as in Seiscor-melt. Rheometer realized requires a lot of effort, especially for the control, and there are fluidic problems, eg. As in the acceleration of the material and by-run-in effects.

Ziel der. ErfindungGoal of. invention

Die Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung rheologischer Stoffwerte zu schaffen, wobei erreicht werden soll, daß die Vorrichtung in einem weiten Beanspruchungsbereich einstellbar ist, eine große Sicherheit gegenüber Störungen beim Fließen des Stoffes aufweist und durch 'das Verfahren die primär erfaßten Daten in Stoffwerte überführt werden können. Außerdem sollen die Aufwendungen für den Aufbau und Betrieb der Vorrichtung und für das Verfahren zur Bestimmung der Stoffwerte gering sein.The object of the invention is to provide a method and a device for the continuous determination of rheological material values, wherein it is to be achieved that the device is adjustable over a wide range of stresses, has a high degree of safety against disturbances in the flow of the substance and by the method primarily acquired data can be converted into material values. In addition, the expenses for the construction and operation of the device and for the method for determining the physical properties should be low.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung rheologischer Stoffwerte zu schaffen, die es bei laminarer, im bestimmten Zeitbereich konstanter Druckströmung gestatten, bei verschiedenen vorgegebenen Beanspruchungsbedingungen zu messen und die dabei eine große Sicherheit gegenüber StörungenThe invention has for its object to provide a method and apparatus for the continuous determination of rheological properties, which allow laminar, in a certain time constant pressure flow to measure at different predetermined stress conditions and thereby a great security against interference

I 1 U I I 1 U I

beim Fließen des Stoffes, wie ζ. Β» durch Stoff inhomogenität, aufweisen.· ·. ' . .at the flow of the substance, like ζ. Inhomogeneity. · ·. '. ,

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in den au niessenden und bei Bedarf zu regulierenden Stoff strom bzw. -teilstrom Düsensysterne, von denen wenigstens eines mehrere Düsen aufweist, eingebracht sind und aus den strömungstechnischen und geometrischen Bedingungen unter Vorgabe von Stoffgleichungen rheologische Stoffwerte, als auch Relationen zwischen den Beanspruchungsbedingungen in den Düsensystemen sowie zwischen den Stoffwerten berechnet werden. Abhängig vom Stoffstrom und den zu gewinnenden rheologischen Werten werden die Düsensy s te tue entweder in Reihen- und/oder Parallelschaltung eingesetzt und Düsen gleicher oder mit unterschiedlichen Abmessungen verwendet.According to the invention, this object is achieved in that in the au niessenden and if necessary to regulate the stream or -teilstrom nozzle systems, of which at least one has multiple nozzles are introduced and from the fluidic and geometric conditions under specification of material equations rheological properties, as Also, relations between the stress conditions in the nozzle systems and between the physical properties can be calculated. Depending on the material flow and the rheological values to be obtained, the nozzle systems are used either in series and / or parallel connection and nozzles of the same or different dimensions are used.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besitzt mindestens zwei Düsensysterne welche in Reihe oder parallel oder in Reihe und parallel zueinander angeordnet sind und deren Düsenanzahl k^, k2 ... sind, wobei gilt k^, k2» ··· * 1 und k^j = ko = φ 1. Die Düsen haben vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt (Kapillare); zur Erzeugung oder zur Vermeidung bestimmter geο me trieabhängiger Effekte im Stoffstrom, z. |5. der Verringerung der im Stoff strom gespeicherten dissipierten Scherarbeit werden andere, niehtkreisf örmige Düsenquerschnitte, wie z. B. Br^e itsc hl itζ du sen verwendet. Bei Reihenschaltung der Düsensysteme sind diese' durch einen Zwischenraum, der für einen gleichmäßigen Druckaufbau vor dem nachfolgenden Düsensystein sorgt, miteinander verbunden.The device for carrying out the method has at least two nozzle systems which are arranged in series or in parallel or in series and parallel to one another and whose number of nozzles k ^, k 2 ..., where k ^, k 2 »··· * 1 and k ^ j = ko = φ 1. The nozzles are preferably of circular cross-section (capillary); to generate or avoid certain geo me trieabhängiger effects in the flow, eg. | 5th the reduction of the current stored in the material dissipated shearing work other, non-circular nozzle cross-sections, such. For example, breadwinners are used. When the nozzle systems are connected in series, they are connected to one another by a gap, which ensures a uniform pressure build-up in front of the subsequent nozzle system.

\ " " . '' .' * . \ "". ''. ' *.

Durchströmt ein zeitlich konstanter Volumendurchsatz die hintereinander angeordneten Düsensysteme, 'so fallen über ihnen Druckverluste ab. Aus der Anzahl und der Geometrie der Düsen im-Düsensyste^i den vorgegebenen und gemessenen Werten Volumendurchsatz und Druckverlust werden die rheologischen Beanspruchungsbedingungen und Stoffwerte berechnet. Durch die Zwangsbedingung eines gleichen Stoffstromes durch die in Reihe geschaltenen Düsensysteme ist das. rheologische Verhalten in einem vorgegebenen Beanspruchungsbereich aus den gemessenen Druckabfallwerten und den geometrischen BedingungenFlows through a temporally constant volume flow through the nozzle systems arranged one behind the other, 'fall over them pressure losses. From the number and geometry of the nozzles in the nozzle system, the given and measured values volume throughput and pressure loss, the rheological stress conditions and material values are calculated. Due to the forced condition of the same material flow through the nozzle systems connected in series, the rheological behavior in a given stress range is the measured pressure drop values and the geometric conditions

-5- 2301 I O I -5- 2301 IO I

der' Düsensysterne zu berechnen. Da die Düsensysteme im. allgemeinen aus mehreren Düsen bestehen, liegt eine hohe .Fließstabilität des Stoffstromes gegenüber Störungen z. B. Inhomogenitäten vor. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Meßwerte Mittelungen der über den einzelnen Düsen anfallenden integralen Größen sind und somit eine hohe Qualität der MeEwerte erreicht wird. Gegenüber den bekannten Meßeinrichtungen ist außerdem vorteilhaft, daß die große Variabilität des Beanspruchungsbereiches bei Erhaltung der Einfachheit es ermöglicht, die Vorrichtung in den Hauptstrom einer Herstellungs- oder Verarbeitungsanlage anzuordnen, wodurch erhebliche technische Aufwendungen entfallen.*to calculate the nozzle system. Since the nozzle systems in. generally consist of several nozzles, is a high .Fließstabilität the material flow against disturbances z. B. inhomogeneities. A further advantage is that the measured values are averages of the integral quantities arising over the individual nozzles and thus a high quality of the measured values is achieved. Compared to the known measuring devices is also advantageous that the great variability of the stress range while maintaining the simplicity makes it possible to arrange the device in the main stream of a manufacturing or processing plant, which accounts for significant technical expenses.

Bei der Parallelschaltung sind die Düsensysteme mit Düsen gleicher oder unterschiedlicher Querschnitte und gleicher oder unterschiedlicher Düsenanzahlen nebeneinander angeordnet. Der Gesamtstoffstrom wird entsprechend dem rheologischen Widerstand der Düsensysteme aufgeteilt oder durch Fördereinrichtungen den Düsensystemen zugeführt. Dabei werden die jeweiligen Druckverluste, gemessen.In the parallel connection, the nozzle systems with nozzles of the same or different cross sections and the same or different nozzle numbers are arranged side by side. The total flow of material is divided according to the rheological resistance of the nozzle systems or supplied to the nozzle systems by means of conveyors. The respective pressure losses are measured.

Gegenüber der Reihenschaltung der Düsensysteme hat die Parallelschaltung bei Verwendung von Fördereinrichtungen den Vorteil einer im weiten Bereich stetigen Regulier'barkeiif der Scherbeanspruchung. Bei Parallelschaltung der Düsensysteme ist der Stoffdurchsatz bei gleicher Scherbelastung im Vergleich z-ur Reihenschaltung gleicher Düsensysteme geringer. -Compared to the series connection of the nozzle systems, the parallel connection has the advantage of a wide range continuous Regulier'barkeiif the shear stress when using conveyors. When the nozzle systems are connected in parallel, the throughput of the same shear load is lower in comparison to the series connection of the same nozzle systems. -

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen: .'· . Fig. 1 die schematische Darstellung einer ReihenschaltungThe invention will be explained in more detail below with reference to two embodiments. The accompanying drawings show: '. Fig. 1 is a schematic representation of a series circuit

von Düsensysteinen} .of jet systems}.

Pig. 2 die schematische Darstellung einer Parallelschaltung von Düsensystemen ·Pig. 2 the schematic representation of a parallel connection of nozzle systems ·

In den nachfolgenden Beispielen wird auf Düsensysteme mitIn the following examples is on nozzle systems with

23Ό I ϊ U 23Ό I ϊ U

zylindrischen.Düsen,, d. h. Kapillaren Bezug genommen. ' cylindrical nozzles, d. H. Capillaries reference. '

Beispiel 1example 1

Entsprechend der Figur 1 besteht die Vorrichtung aus in Reihe geschalteten Düsensystemen 1 und 2 mit k1 Kapillaren im Düsensystem T und ^Kapillaren im Düsensystem 2. Die Längen und Radien der Kapillaren betragen L1, R1 für das Düsensystem 1 und Lp» R2 für das Düsensystem 2. Bei dem Volumendurchsatz Q durch die hintereinander angeordneten Düsensysteme fallen die Druckverluste ^p1 über dem Düsensystem 1 und ,<4ρ2 über dem Düsensystem 2 ab. Zur Bestimmung der rheclogischen Stoffdaten eines nicht-Newtonschen Stoffes, der durch ein Potenzgesetz in Form fIQ = C^ (1) beschrieben wird, in einem Schergeschwindigkeitsbereich, der sich um den Faktor 40 unterscheiden soll, werden die folgenden Bedingungen ::%ür die Düsensysteme gewählt:According to FIG. 1, the device consists of nozzle systems 1 and 2 connected in series with k 1 capillaries in the nozzle system T and capillaries in the nozzle system 2. The lengths and radii of the capillaries are L 1 , R 1 for the nozzle system 1 and Lp >> R 2 for the nozzle system 2. In the volume flow rate Q through the nozzle systems arranged one behind the other, the pressure losses ^ p 1 fall above the nozzle system 1 and, <4ρ 2 above the nozzle system 2. To determine the rheclogischen substance data of a non-Newtonian substance, the C ^ (1) is described by a power law in the form f IQ =, in a shear rate range to differ by a factor of 40, the following conditions ::% ÜR the Nozzle systems chosen:

Disensystem 1 : k,- = 1Dissection system 1: k, - = 1

Düsensystem 2 : k2 = 5 Ί "" P * -' 'I-.-— *- ' ρNozzle system 2: k 2 = 5 Ί "" P * - '' I -.-- * - 'ρ

Die Volumendurchsätze durch die Düsemsysterne betragenThe volume flow rates through the nozzle system amount to

• \ ' Ί ' . .• \ 'Ί'. ,

und 3and 3

Das Verhältnis der Volumendurchsätze in den Kapillaren der beiden Düsensysteme berechnet sich mit The ratio of the volume flow rates in the capillaries of the two nozzle systems is calculated as

R2 = u . R1; , I2 = ν . I1zuR 2 = u. R 1 ; , I 2 = ν . I 1 too

Q1 ι.Q 1 ι.

,m, m

Für den Fließexponenten m ergibt sichFor the flow exponent m results

3 QA 3 QA

log ( \ ) + log (log ( \ ) + log (

0 20 2

k2 ist Q1 =k 2 is Q 1 =

undand

log ( ^ ) + loglog (^) + log

Q1 2 Q 1 2

wenn k,, Φ k.o ist, d.h. -r- = — wird fürif k ,, Φ k. o is, ie -r- = - becomes for

Q2 ^Q 2 ^

+ -log (k2/k1)+ -log ( k 2 / k 1)

log (-) + loglog (-) + log

erhalten.receive.

Die scheinbaren Schergeschwindigkeiten und die tatsächlichen Schergeschwindigkeiten an der Kapillarwand in den Dü sensystemen verhalten sich zueinander wieThe apparent shear rates and actual shear rates at the capillary wall in the nozzle systems are related to each other

w2 w 2

Das Verhältnis der scheinbaren und effektiven Viskositäten in den Düsensysteraen wird zuThe ratio of apparent and effective viscosities in the nozzle snares becomes

?ef f 1 Ä2 ν % Λ ? Ef f 1 22 ν

*?s2 Veff 2 is1 u*? s2 Veff 2 is1 u

erhalten bzw. mit Gleichung (9)obtained or with equation (9)

^32 ?eff 2 k2 *^ 32? Eff 2 k 2 *

Die Proportionalitätskonstante im Potenzgesetz, die Schergeschwindigkeiten und die Viskositäten berechnen sich in bekannter Weise.. Entsprechend dem Beispiel berechnet sich der Pließexponent m nach Gleichung (8) zuThe proportionality constant in the power law, the shear rates and the viscosities are calculated in a known manner. According to the example, the splitting exponent m is calculated according to equation (8)

8 -8th -

-8- ZJU 5- 8 - ZJU 5

log (U^) +los C "7^) , 1,6021 log (U ^) + go C " 7 ^), 1.6021

k2/k. k 2 / k .

log -i'V + log ..< **" ^p2J " log C *pVlog -i'V + log .. <** "^ p 2 J" log C * p V

und für die Proportionalitätskonstante C folgtand for the constant of proportionality C follows

Das Verhältnis der Viskositäten in den Düsensysteinen beträgt nach Gleichung (11) , The ratio of the viscosities in the nozzle systems is according to equation (11),

^s2 %ff 2 k2 "JP ^p2. 160 ^ s2 % ff 2 k 2 "JP ^ p 2. 160

Durch die .Anordnung und Auslegung der Düsensysteme sowie durch die Auswertung der Meßwerte werden über das zu untersuchende Stoff system, im vorgenannten Fall eine Flüssigkeit, die nach dem Potenzgesetz "beschrieben werden kann, in einem weiten Scherge se hwindigkeitsbere ich charakteristische Stoffwerte bestimmt. Diese Stoffwerte eignen sich sowohl zur Prczeßüberwachung und Steuerung bei der Herstellung des Stoffesals auch als Charakteristika für die Anwendung, insbesondere dort, wo Unterschiede in den Schergeschwindigkeiten bzw. Def ortüationsoedingungen vorliegen. Die Vorgabe der Anzahl, der .'Kapillaren in dea einzelnen Kapillarsystemen als auch die Ausbildung der Geometrie der Kapillaren ermöglichen eine Anpassung in einem weiten Beanspruchungsbereich. Der Vorteil von Kap ill ar sy stemen jnit mehreren Kapillaren ist außerdem darin zu sehen, daß sehr geringe Schergeschwindigkeitsbereiche' gewählt werden können, womit das Stoff verhalten nahe oder im Newtonschen Bereich der Anfangsviskosität erfaßt werden kann. Vorteilhaft wirkt sich auch die Ausbildung eines Düsensystems, bestehend aus mehreren Kapillaren, auf die Stabilität des Fließens gegenüber Störungen, z. B. Inhomogenitäten des strömenden Stoffes aus» Gleichzeitig ist vorteilhaft, daß der über dem Düsensystem gemessene Druckverlust ein-'Mittelwert der über den einzelnen Kapillaren abfallenden Druckverluste bei den jeweiligen Stoffströmen ist, wodurch . Wfeßv/erte mit hoher Qualität entstehen. Die Vorrichtui g-Through the arrangement and design of the nozzle systems as well as through the evaluation of the measured values, characteristic substances are determined in a wide range of shear properties via the substance system to be investigated, in the aforementioned case a liquid which can be described by the law of potency They are suitable both for process monitoring and control in the production of the substance and as characteristics for the application, in particular where there are differences in the shear rates or deforlation conditions, the specification of the number, the .capillaries in the individual capillary systems and the design The advantage of capillary systems with several capillaries is also that very low shear rates can be chosen, thus keeping the material close to or in Newtonian condition ch the initial viscosity can be detected. The formation of a nozzle system, consisting of several capillaries, also has an advantageous effect on the stability of the flow against disturbances, eg. B. Inhomogeneities of the flowing material from »At the same time it is advantageous that the pressure loss measured over the nozzle system is a -'Mittelwert the falling over the individual capillaries pressure losses at the respective streams, whereby. Wfeßv / erte arise with high quality. The devices

-9-· ZdUI IU L -9- · ZdUI IU L

erfordert durch die Zwangsbedingung für den Volumendurchsatz durch die Düsensysteme nur einen konstanten Volumenstrom der durch die Anlage, in der sich die Vorrichtung befindet, vorgegeben wird.Due to the forced condition for the volume throughput through the nozzle systems, only a constant volume flow is required which is predetermined by the system in which the device is located.

Beispiel 2 / ' . ' .'; .."Example 2 / ' . '.'; .. "

Wie in Figur 2 gezeigt, besteht die Vorrichtung aus parallelgeschalteteii Düsensystemen 1 und 2 mit k,, Kapillaren im Düsensystem 1 und k2 Kapillaren im Düsensystem 2. Die Längen < und Radien der Kapillaren sind 1^, und R* für das Düsensy stern. 1 und I2, R2 für das Düsensystem 2. Der Volumendurchsatz Q besteht aus den Anteilen Q- durch das Düsensystem 1 und Q2 durch das Düsensystem 2; über den Düsensy steinen treten die Druckverluste 4p,j und ^p2 auf. Werden die Düsensysteme nacheinander von mindestens zwei verschiedenen Volumendurchsätzen Q . Qv,, ... durchströmt mit Qo/Q-u =. et und a d . . auAs shown in Figure 2, the device consists of parallel nozzle systems 1 and 2 with k, capillaries in the nozzle system 1 and k 2 capillaries in the nozzle system 2. The lengths and radii of the capillaries are 1, and R * for the nozzle star. 1 and I 2 , R 2 for the nozzle system 2. The volume flow rate Q consists of the proportions Q- through the nozzle system 1 and Q 2 through the nozzle system 2; over the Düsensy stones the pressure losses 4p, j and ^ p 2 occur. If the nozzle systems successively of at least two different volume flow rates Q. Qv ,, ... flows through Q o / Qu =. et and ad. , au

\2 - k2) -s_ (15> \2 - k2)-s_ (15>

wird der Fließexponent zuthe flow exponent becomes

ν1ν1

k2) ' (16)k 2 ) '(16)

m = log -j~ log oc (17)m = log -j ~ log oc (17)

erhalten; dabei sind die sich ausbildenden Schergeschwindigkeitsfeider in den Düsensystemen nicht gleich. . Der Wert 0 wird berechnet ausreceive; while the forming Schergeschwindigkeitsfeider in the nozzle systems are not the same. , The value 0 is calculated from

m '·' . 'm '·'. '

G (W,. . k. + W, o . ko) (18)G (W, k. + W, o . Ko) (18)

Strömt der konstante Volumendurchsatz Qu zunächst durch beide Düsensysteme, dann nur durch ein Düsensystem, d. h.Flows the constant volume flow Qu first through both nozzle systems, then only through a nozzle system, d. H.

Ck1 · Wk1 + k Ck 1 · W k1 + k

•und . m•and . m

so entstehtthat's how it is

· ki · wki· K i · w ki

- 1C -- 1C -

'JU'JU

. wk1 + k2 . wk2y, w k1 + k 2 . w k2 y

bzw. daraus ta zuor ta from it

.= log -^ . log -—_ — . = log - ^. log --_ -

und 0 aus Gleichungen (19) "bzw. (20).and 0 from equations (19) "and (20), respectively.

Bei parallelgeschalteten unterschiedlichen Düsensy steinen, die durch zugehörige Iordereinrichtungen mit zeitlich konstanten, gleichen oder unterschiedlichen Volumendurchsätzen "beaufschlagt werden, entstehtIn parallel connected Düsensy different stones, which are acted upon by associated Iordereinrichtungen with constant, equal or different volume throughputs, arises

- ( 1) (23)- (1) (23)

und für den Fließexponentand for the flow exponent

+ log ^2^1) +log (u3)+ log ^ 2 ^ 1) + log (u 3 )

(24) 1°S ( TT ) +log ("^1//Ip2)(24) 1 ° S (TT) + log ("^ 1 // Ip 2 )

Das Verhältnis der Schergeschwindigkeiten in den Düsensystetaen beträgtThe ratio of shear rates in the nozzle systems is

m ta ·' -., m ta · '-.,

. ( 1) (25), (1) (25)

Tdzw. _:. _ - .'Tdzw. _ :. _ -. '

J - -Al - A Ϊ2 „5 J - -Al - A Ϊ2 "5

— · — /3 · ν · u - · - / 3 · ν · u

Das Viskositätsverhältnis in den Düsensystemen wird damit zuThe viscosity ratio in the nozzle systems is thus too

m-1/ ,m-1m-1 /, m-1

?s2 ?eff Z " \^Λ y* ^ n ? s2? eff Z " \ ^ Λ y * ^ n

*?eff 1 ν *? eff 1 ν

?s2 ~ ?eff 2 . ß. u4 "? s2 ~? eff 2. ß. u 4 "

- 11 -- 11 -

-11- 2'Sl) i.i υ- L - 11 - 2'Sl) ii υ- L

Darin ist ; That is ;

R2 s u . R1 und I2 = ν . I1 (29)R 2 su. R 1 and I 2 = ν. I 1 (29)

Die Vierte der Viskositäten und Sc herge se hwindigkeit en berechnen sich in bekannter Weise.Fourth of the viscosities and extender speeds are calculated in a known manner.

Für den Fall parallelgeschalteter Düsensysteme 1 und 2, die durch zwei konstante Forderströme, ζ. B. durch Zahnradpumpen erzeugt, gespeist werden, beträgt das Verhältnis der Förderströme Q J\ - & = 3; die geometrischen Bedingungen der Düsensysteme sind:In the case of parallel-connected nozzle systems 1 and 2, which are characterized by two constant Forderstrom, ζ. B. generated by gear pumps, are fed, the ratio of the flow rates Q J \ - & = 3; the geometric conditions of the nozzle systems are:

-Ie1 = 5, k2 = 10; R1 = 0,5 R2i I1 = I2.-Ie 1 = 5, k 2 = 10; R 1 = 0.5 R 2 i I 1 = I 2 .

Der Faktor der Schergeschwindigkeiten in den Düsensystemen berechnet sich für dieses Beispiel zu ^s"1/>>2 = 48 und der Fließexponent m bestimmt sich nach Gleichung (24) zuThe factor of the shear rates in the nozzle systems is calculated for this example as ^ s "1 / >> 2 = 48 and the flow exponent m is determined according to equation (24)

_ log IS + log (k2/k1) H- log (U^) _ 1t6812 :_ log IS + log ( k 2 / k 1) H log (U ^) _ 1t6812 :

log (v/„) + log (^1/App) log (4W. ) -0,?010log (v / ") + log (^ 1 / App) log (4W.) -0,? 010

Das Verhältnis der Viskositäten in den Düsensystemen wird, entsprechend Gleichung (28) zuThe ratio of the viscosities in the nozzle systems is increased according to equation (28)

*?eff*? Eff

?s2 ?eif 2 TT^ V erhalten. - '? s2? eif 2 TT ^ V received. - '

Gegenüber der Reihenschaltung der Düsensysteme hat die ausgeführte Parallelschaltung den Vorteil einer im weiten Bereich und durch die Vorgabe des Stoffstromes stetigen Regulierbarkeit des Sc herge se hwindigkeit sbere ic he s. Dadurch können insbesondere bei zeitlich nicht stationärem Volumenstrom in einer Anlage gleiche Meßbedingungen realisiert und sofern erforderlich der Schergesehwindigkeitsbereich kontinuierlich verstellt werden. Durch das parallelgeschaltete Meßsystem ergibt sich ein größerer Volumendurchsatz und für den Stoffstrom eine geringere Gesamtseherbelastung, so daß z.B. scherempfindliche Stoffe rheologisch charakterisiert werden können.Compared to the series connection of the nozzle systems, the parallel connection has the advantage of a controllable speed of the sensor speed which is constant over a wide range and due to the specification of the material flow. As a result, the same measuring conditions can be realized in a system, especially if the flow rate is not stationary over time, and, if necessary, the shear rate range can be continuously adjusted. The parallel-connected measuring system results in a larger volume throughput and a lower total vision load for the material flow, so that e.g. shear-sensitive substances can be rheologically characterized.

. .· -- •12 -, · · · 12 -

Claims (2)

23U i 1 υ Erfindungsanspruch.23U i 1 υ invention claim. 1.6. Verfahren näch Punkt 1.1. b is 1.5. gekennzeichnet da~ durch, daß unter Verwendung des Potenzgesetzes der Fließexponent, die Proportionalitätskonstante im Po-1.6. Procedure next point 1.1. b is 1.5. characterized in that, using the power law, the flow exponent, the proportionality constant in the po- r-13.- /JU i I υ *-r-13.- / JU i I υ * - tenzgesetz, die scheinbaren und effektiven Viskositäten, die scheinbaren und effektiven Schergeschwiadigkeiten und die Verhältnisse zwischen ihnen berechnet werden.law, the apparent and effective viscosities, the apparent and effective shear forces, and the relationships between them. 2.1. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß mindestens zwei Düsensysteme, deren Düsenanzahlen k,-, ko;, ... sind, wobei gilt kxj, k2 ... - 1 und k^ = k2 = ... * 1, 'in Reihe und/ oder parallel zueinander angeordnet sind.2.1. Apparatus for carrying out the method according to item 1, characterized in that at least two nozzle systems whose number of nozzles k, -, ko ; , ..., where kxj, k 2 ... - 1 and k ^ = k 2 = ... * 1, 'are arranged in series and / or parallel to each other. 2.2. Vorrichtung nach Punkt 2.1. gekennzeichnet dadurch, daß sich die Düsensysteme im Hauptstrom und/oder Nebenstrom einer Anlage befinden.2.2. Device according to point 2.1. characterized in that the nozzle systems are in the main flow and / or secondary flow of a system. .2.5'. Vorrichtung nach Punkt 2.1. gekennzeichnet dadurch, daß sich zwei parallelgeschaltete Düsensysteme, von welchen ein Düsensystem durch eine einen vorgegebenen Förderstrom erzeugende Vorrichtung gespeist wird, sich im Hauptstrom einer Anlage befinden..2.5 '. Device according to point 2.1. characterized in that two parallel nozzle systems, of which a nozzle system is fed by a predetermined flow generating device, are located in the main stream of a plant. 2.4. Vorrichtung nach Punkt 2.1. gekennzeichnet dadurch, öa& die Düsen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.2.4. Device according to point 2.1. characterized in öa & nozzles have a circular cross-section. 1.5. Verfahren nach Punkt 1.1. gekennzeichnet dadurch, daß parallel angeordnete Düsensysteme mit Düsen gleicher oder unterschiedlicher Abmessungen aus zugeordneten Fördereinrichtungen mit gleichen oder unterschiedlichen Volumendurchsätzen durchströmt und dabei die Druckverluste gemessen werden.1.5. Procedure according to point 1.1. characterized in that flows through nozzle systems arranged in parallel with nozzles of the same or different dimensions from associated conveyors with the same or different volume flow rates and thereby the pressure losses are measured. 1.4. Verfahren nach Punkt 1.1· gekennzeichnet dadurch, daß die Stoffströme zunächst durch zwei parallel angeordnete Düsensysteme, die Düsen gleicher oder unter- % schiedlicher Abmessungen aufweisen, anschließend durch eines davon oder umgekehrt, hindurchgeleitet und dabei die Druckverluste gemessen werden.1.4. Method according to point 1.1 · characterized in that the streams initially by two nozzle systems arranged in parallel, the nozzles have the same or unter % different dimensions, then passed through one of them or vice versa, and thereby the pressure losses are measured. 1.5· Verfahren nach Punkt 1.1· gekennzeichnet dadurch, daß mindestens zwei unterschiedliche Volumendurchsätze des Stoffes zeitlich nacheinander durch parallel angeordnete Düsensysteme mit Düsen gleicher oder unterschiedlicher Abmessungen geleitet und die Druckverluste gemessen werden.1.5 · Method according to point 1.1 · characterized by the fact that at least two different volume flow rates of the substance in succession passed through parallel nozzle systems with nozzles of the same or different dimensions and the pressure losses are measured. 1.2. Verfahren nach Punkt* 1.1. gekennzeichnet dadurch, daß der Stoffström durch in Reihe geschaltete Düsensysteme mit Düsen gleicher oder unterschiedlicher Abmessungen geleitet und die Druckverluste gemessen werden.1.2. Procedure according to point * 1.1. characterized in that the Stoffström passed through series-connected nozzle systems with nozzles of the same or different dimensions and the pressure losses are measured. 1.1. Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung rheologischer Stoffwerte eines im bestimmten Zeitbereich konstanten Stoffstromes, welcher in einer Anlage erzeugt bzw. gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffstrom laminar durch Düsensysterne, von denen wenigstens eins mehrere Düsen aufweist, strömt, dabei die Druckverluste über den Düsensystemen gemessen und aus den geometrischen und strömungstechnischen Bedingungen unter Anwendung von Stoff gleichungen rheologische Stoffwerte oder Relationen zwischen ihnen berechnet werden.1.1. Method for the continuous determination of rheological material values of a constant stream of material in a specific time range, which is produced or conveyed in a plant, characterized in that the stream flows laminarly through nozzle systems, at least one of which has a plurality of nozzles, thereby measuring the pressure losses across the nozzle systems and from the geometric and fluidic conditions using material equations rheological values or relations between them are calculated. 2.5. Vorrichtung nach Punkt 2.1. gekennzeichnet dadurch, daß die Düsen nichtkreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie z. B. Breitschlitzdüsen. . .2.5. Device according to point 2.1. characterized in that the nozzles have non-circular cross-section, such. B. slot dies. , , Hierzu.//„..Seiten ZeichnungenDazu.//"..Seiten drawings
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