DE102004017442B4

DE102004017442B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern

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Publication number: DE102004017442B4
Application number: DE102004017442A
Authority: DE
Inventors: Petr A. Nikrityuk; Roger Grundmann; Kerstin Eckert
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2024-04-03
Also published as: DE102004017442A1

Abstract

Verfahren zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines mit einer einen Rührwerkstrom einstellenden Steuer-/Regeleinrichtung verbundenen Rührwerkes mittels eines oberen und eines unteren Rührwerksteils eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung innerhalb der nichtleitenden Flüssigkeit erzeugt werden und der elektrische Rührwerkstrom zu einem Wechsel von Einschalten und Ausschalten geführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest in einer quasilaminaren und nicht-linearen Strömung gearbeitet wird und nach dem Erreichen des Maximums der Geschwindigkeit U_rzmax der meridionalen Strömung der Wechsel von Einschalten und Ausschalten des elektrischen Rührwerkstroms im Zeitintervall Δt oder Δt* mit Δt = tfm– tlam (dimensionsbehaftet) (Ia)oder Δt* = tfm*– tlam* (dimensionslos) (Ib)durchgeführt wird, wobei t_fm dem Zeitpunkt t_EIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung (23) nach dem Ausschalten bei t_AUS1 des elektrischen Rührwerkstromes, zu dem der elektrische Rührwerkstrom wieder eingeschaltet wird, und
wobei t_lam dem Zeitpunkt t_AUS1 des Erreichens des ersten...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines mit einer einen Rührwerkstrom einstellenden Steuer-/Regeleinrichtung verbundenen Rührwerkes mittels eines oberen und eines unteren Rührwerksteils eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung innerhalb der nichtleitenden Flüssigkeit erzeugt werden und der elektrische Rührwerkstrom zu einem Wechsel von Einschalten und Ausschalten geführt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Es ist bekannt, dass bei erzwungener Rotation von Flüssigkeiten in Behältern neben der primären, der azimutalen Strömung auch eine sekundäre, die meridionale Strömung und Wirbelbildungen auftreten.

Insbesondere in der Kristallzüchtung und in der chemischen Industrie wird die Wirkung von auftretenden meridionalen Strömungen in der nichtleitenden Flüssigkeit aufgrund des durch das Rührwerk erzeugten azimutalen Wirbels genutzt, da die meridionalen Strömungen im Wesentlichen den Wärme/Masse-Transfer in der flüssigen Phase bei einer Umwandlung zu einem verfestigten Material bestimmen.

Die Flüssigkeit kommt in Bewegung durch die mechanische Rotation des Rührwerks, das mit konstanter Winkelgeschwindigkeit Ω rotiert.

Aus bekannten Messungen hat sich ergeben, dass die Anteile der azimutalen Strömung gegenüber den Anteilen der meridionalen Strömung ebenso wie die kinetischen Energiezustände im Verhältnis von etwa 90 zu 10 stehen. Die Energieanteile beeinflussen den Wärme- und Massetransfer innerhalb der nichtleitenden Flüssigkeit. Obwohl der Anteil der azimutalen Strömung überwiegt, ist bisher der Anteil der meridionalen Strömung vernachlässigt worden.

Es sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mischung mehrerer Arten von Rohmaterialien mit verschiedenen Eigenschaften in der Druckschrift DE 695 23 114 T2 mit folgenden Schritten beschrieben:

– Einbringen der Rohmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in einen zylindrischen Behälter,
– Erhalten eines viskosen Materials daraus durch Rotieren von Rührflügeln, wobei die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Rührflügel über eine vorbestimmte Zeitdauer zwischen einem hohen Geschwindigkeitspegel und einem niedrigen Geschwindigkeitspegel zyklisch umgeschaltet wird,

wobei die Mischviskosität des viskosen Materials ermittelt wird und gemäß dieser Mischviskosität der Rotationszustand der Rührflügel in der Weise verändert wird, dass ein optimaler Rührmischzustand in jedem Abschnitt der Rührmischung erhalten wird.

Die Rührflügel werden von einem Motor gedreht, wobei die Reduzierung der Rotationsgeschwindigkeit der Rührflügel von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel durch eine regenerative Bremskraft des Motors durchgeführt wird.

Ein Problem besteht darin, dass der Wechsel des Ein- und Ausschaltens von der Mischviskosität des gerührten Materials abhängt. Die Vorrichtung besitzt ein Rührwerk, das im Wesentlichen aus einer Welle mit zwei daran befestigten, voneinander beabstandeten oberen und unteren Rührflügeln besteht. Die oberen und unteren Rührflügel drehen sich bedingt durch die gemeinsam verbindende Welle immer mit der gleichen eingestellten Rotationsgeschwindigkeit. Eine Differenzierung und Regulierung der Rotationsgeschwindigkeiten zwischen den oberen und unteren Rührflügeln ist nicht möglich.

Des Weiteren ist ein Verfahren zur Regelung der von einem Rührwerk in einem Rührbehälter aufgenommenen Leistung in der Druckschrift WO 83/00101 A1 unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweiligen Rührgutes beschrieben, wobei

– für das jeweilige Rührgut empirisch eine optimale Leistungsaufnahme des Rührwerks ermittelt wird, die bei einem vorgegebenen Viskositätswert des Rührgutes, der von der jeweiligen Rührphase abhängt, eine Aufrechterhaltung des in der jeweiligen Rührphase ablaufenden Rührprozesses bei minimalem Energieaufwand gewährleistet,
– die Viskosität des Rührgutes fortlaufend während der verschiedenen Rührphasen bestimmt wird, und
– die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Rührwerkes aufgrund des jeweils bestimmten Viskositätswertes des Rührgutes nachgeregelt wird, bis die von dem Rührwerk aufgenommene Leistung der empirisch ermittelten optimalen Leistungsaufnahme entspricht.

Ein Problem besteht darin, dass eine Nachregelung der Drehzahl oder des Drehmoments nicht unter Berücksichtigung der meridionalen Geschwindigkeit bzw. der Erreichung des Maximums der meridionalen Geschwindigkeit der rotierenden Flüssigkeit durchgeführt wird. Die Nachregelung der Drehzahl hängt ab von den Viskositätswerten des Rührgutes.

Die Vorrichtung besitzt auch ein Rührwerk, das im Wesentlichen aus einer Welle mit mehreren, d.h. z.B. oberen, mittigen, unteren daran befestigten, voneinander beabstandeten Rührflügeln besteht. Die Rührflügel drehen sich bedingt durch die gemeinsam verbindende Welle immer mit der gleichen eingestellten Rotationsgeschwindigkeit. Durch die größere Anzahl von Rührflügeln ist eine meridionale Strömung schwer erreichbar. Eine Differenzierung und Regulierung der Rotationsgeschwindigkeiten der Rührflügel untereinander ist nicht möglich.

Zusätzlich müssen zur Durchführung des Verfahrens die Reynoldzahl des Rührguts, die Nusseltzahl aus empirischen Untersuchungen ermittelt sowie Korrekturen der Viskositäten durchgeführt und berechnet werden, was im Gesamten einen ziemlich hohen technischen Aufwand darstellt und zeitaufwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern derart anzugeben, dass die kinetische Energie der meridionalen Strömung erhöht und damit auf einfache Weise der Wärme- und/oder der Masse-Transfer verbessert werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

In dem Verfahren zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines mit einer einen Rührwerkstrom einstellenden Steuer-/Regeleinrichtung verbundenen Rührwerkes mittels eines oberen und eines unteren Rührwerksteils eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung innerhalb der nichtleitenden Flüssigkeit erzeugt werden und der elektrische Rührwerkstrom zu einem Wechsel von Einschalten und Ausschalten geführt wird,
werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 zumindest in einer quasilaminaren und nicht-linearen Strömung gearbeitet und nach dem Erreichen des Maximums der Geschwindigkeit U_rzmax der meridionalen Strömung der Wechsel von Einschalten und Ausschalten des elektrischen Rührwerkstroms im Zeitintervall Δt oder Δt* mit Δt = tfm – tlam (dimensionsbehaftet) (Ia)oder Δt* = tfm* – tlam* (dimensionslos) (Ib)durchgeführt,
wobei t_fm dem Zeitpunkt t_EIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung nach dem Ausschalten bei t_AUS1 des elektrischen Rührwerkstromes, zu dem der elektrische Rührwerkstrom wieder eingeschaltet wird, und
wobei t_lam dem Zeitpunkt t_AUS1 des Erreichens des ersten Maximums der volumengemittelten Geschwindigkeit U_rzmax der meridionalen Strömung nach dem Einschalten des elektrischen Rührwerkstromes, zu dem der elektrische Rührwerkstrom erstmals ausgeschaltet wird,
entsprechen, und
somit die Flüssigkeit einer oszillierenden Rotationskraft F_PΩ unterworfen wird.

Zur Charakterisierung der azimutalen Strömung und meridionalen Strömung werden die Geschwindigkeiten U_θ Und U_rz

als volumengemittelte azimutale Geschwindigkeit und

als volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit mit gemitteltem Volumen πR²H = V für einen Zylinder-Behälter festgelegt, wobei R der Radius, H die Höhe des Zylinders sind.

Der Schaltwechsel mit dem Zeitintervall Δt oder Δt* wird zu einem periodischen Vorgang der Einschaltung, die verbunden ist mit einer Beschleunigung durch die Rotationskraft, und der Abschaltung, die verbunden ist mit einer Bremsung des Rührwerks durch die Viskosität der Flüssigkeit, geführt.

Bei einem offenen Zylinder oder bei einem Zylinder mit einem Größenverhältnis mit A ≠ 1, beträgt auch die Dauer des Intervalls Δt* = t_fm* – t_lam* (dimensionslos) oder nicht dimensionslos Δt = t_fm – t_lam (in Sekunden).

Zur Durchführung der periodischen Ein-/Abschaltung der mechanischen Rotationskraft F_PΩ, die das obere Rührwerksteil und das untere Rührwerksteil bewegt, wird in folgender Ausbildung in eine Rechnereinheit der Steuer-/Regeleinrichtung folgende Steuerungs-Gleichung als Ein-/Abschaltfunktion eingegeben:

mit Δt = tfm – tlam, (Ia)

mit der Rotationskraft F_Ω = m_R·Ω²·R, wobei m_R die Masse des Rührwerks innerhalb des Zylinders mit dem Radius R ist und der Faktor k nur INTEGER ist, z.B. int(2.9) = 2.

In der Vorrichtung zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines mithilfe einer Steuer-/Regeleinrichtung stromeingestellten Rührwerkes mittels eines oberen und eines unteren Rührwerksteils eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung innerhalb der nichtleitenden Flüssigkeit erzeugt werden, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung eine Rechnereinheit enthält und mit dem Rührwerk verbunden ist, weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 5 die Steuer-/Regeleinrichtung eine Schaltwechsel-Anordnung zur Unterbrechung der Stromzufuhr zum Rührwerk im Zeitintervall Δt oder Δt* mit Δt = tfm – tlam, (dimensionsbehaftet) (Ia)oder Δt* = tfm* – tlam* (dimensionslos) (Ib)auf, die der Rechnereinheit zugeordnet ist, und das Rührwerk zwei einzelne voneinander getrennte Rührwerksteile aufweist, die sowohl synchron mit gleichen Winkelgeschwindigkeiten als auch asynchron mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten antreibbar sind.

Die Schaltwechsel-Bedingung (Ia oder Ib) kann durch die Ein- und Abschaltung des Rührwerkes erfüllt werden und zwar derart, dass die Abschaltung der mechanischen Kraft F_Ω im ersten Maximum des zeitlichen Verlaufs der meridionalen volumengemittelten Geschwindigkeit und die Einschaltung im nachfolgenden Minimum und so weiter erfolgt.

Das obere Rührwerksteil kann einen ersten Motor und eine an einer ersten Motorwelle befestigte, mit der Winkelgeschwindigkeit Ω₂ rotierende Oberscheibe und das untere Rührwerksteil kann einen zweiten Motor und eine an einer zweiten Motorwelle befindliche, mit der Winkelgeschwindigkeit Ω₁ rotierende Unterscheibe aufweisen.

Die Motoren können seitens der Winkelgeschwindigkeiten derart aufeinander abgestimmt sein, dass im Behälter die Winkelgeschwindigkeiten beider Scheiben mit Ω₁ = Ω₂ gleich sind.

Anstelle der Ober- und Unterscheiben können Flügelräder eingesetzt sein.

Der Mantel des Behälters kann in Bodennähe und in Deckelnähe wahlweise je eine Ausgangsöffnung sowie mittig eine Eingangsöffnung besitzen.

In der Steuer-/Regeleinrichtung können zumindest eine Rechner- und Auswerteeinheit als ein Computer sowie eine Schaltwechsel-Anordnung zur Durchführung des Schaltwechsels Δt oder Δt* des Rührwerkstromes zum periodischen Wechsel der mechanischen Rotationskraft F_PΩ enthalten sein.

Die Schaltwechsel-Anordnung kann einen gesteuerten, den Wechsel von Einschalten und Ausschalten durchführenden Stromunterbrecher für den Motorstrom des Rührwerks enthalten, wobei die Schaltwechsel-Anordnung wahlweise mit elektronischen Bauelementen als Hardware und/oder mit programmtechnischen Mitteln als Software ausgebildet ist.

Die Erfindung eröffnet folgende Möglichkeiten, dass

– die Energieersparnis von etwa 50% bei gleicher Wirkung ist,
– eine Erhöhung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler kinetischer Energie vorhanden ist,
– eine Abnahme des Turbulenzgrades, der besonders bei Kristallzüchtung eine wesentliche Bedeutung hat, erreicht wird und
– ein Rührverfahren für die chemischen Reaktionen vorhanden ist, wenn eine unveränderliche Grenze zwischen zwei reagierenden Flüssigkeiten bei hoher Fließgeschwindigkeit wichtig ist.

Damit kann das Verfahren und/oder die Vorrichtung auf folgenden Gebieten gemäß der Ansprüche 12 bzw. 13 eingesetzt werden:
In der Kristallzüchtung mit einer Verringerung von Kristalldefekten durch Reduzierung des Turbulenzgrades und
in der chemische Industrie, insbesondere zur Beseitigung von Instabilitäten zwischen zwei reagierenden chemischen Flüssigkeiten.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Rühren einer nichtleitenden Flüssigkeit in einem geschlossenen Zylinder mit einem Rührwerk mit rotierenden Ober- und Unterscheiben, die sich wahlweise mit gleicher Winkelgeschwindigkeit von Ω₁ = Ω₂ drehen,
2 eine Darstellung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Zeit für den endlichen geschlossenen Zylinder mit permanent rotierenden Ober- und Unterscheiben, wobei N die Drehzahl pro Sekunde ist, gemäß dem Stand der Technik,
3 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der meridionalen volumengemittelten Geschwindigkeiten ohne einen Schaltwechsel und mit einem Schaltwechsel der mechanischen Rotationskraft, die die Ober- und Unterscheibe bewegt, für den geschlossenen Zylinder mit einem Radius von 25 mm und einer Höhe von 50 mm, wobei die Drehzahl N = 1.91 1/sec beträgt, als Vergleich zwischen der Erfindung (mit Schaltwechsel) und dem Stand der Technik (ohne Schaltwechsel),
4 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der mechanischen Rotationskraft F_PΩ mit der erfindungsgemäßen Einschalt- und Abschaltfunktion (Schaltwechsel),
5 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der azimutalen Strömung (1) und der meridionalen Strömung (2) während der Einschalt- und Abschalt-Phase
a – laminare Stokessche Strömung bei t_lam = 2.2 sec in 5a1 und 5a2,
b – nicht-lineare Strömung bei t = t_fm = 3.1 sec (entspricht nicht gestrichelter Kurve in 3) in 5b1 und 5b2,
c – nicht-lineare Strömung bei t = t_fm = 3.1 sec mit Abschalten der Rotationskraft nach t = 2.2 sec (entspricht gestrichelter Kurve in 3) in 5c1 und 5c2,
6 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der volumengemittelten azimutalen Geschwindigkeit U_Θ in 6a und meridionalen Geschwindigkeit U_rz in 6b in einem geschlossenen Zylinder mit rotieren Ober- und Unterscheiben bei einer Drehzahl von N = 1.91 1/sec,
7 eine Darstellung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Zeit für einen endlichen geschlossenen Zylinder mit rotierenden Ober- und Unterscheiben bei einer Drehzahl von N = 1.91 1/sec und
8 eine Darstellung für das meridionale Geschwindigkeitsfeld nach 138 sec für einen geschlossenen end lichen Zylinder mit rotierenden Ober- und Unterscheiben mit einer Drehzahl von N = 1.91 1/sec,
8a – ohne Abschaltung der mechanischen Rotationskraft F_Ω, die die Ober- und Unterscheibe bewegt;
8b – mit periodischem Wechsel zwischen Einschalten und Abschalten der mechanischen Rotationskraft F_PΩ, die die Ober- und Unterscheibe bewegt.
Im Folgenden werden die 1 und 3 betrachtet.
In dem Verfahren zum Rühren einer nichtleitenden Flüssigkeit 2 in einem Behälter 3, in denen durch Rotation eines mit einer einen Rührwerkstrom einstellenden Steuer-/Regeleinrichtung 5 verbundenen Rührwerkes 4 mittels eines oberen und eines unteren Rührwerksteils 12, 13 eine azimutale Strömung 22 und eine meridionale Strömung 23 innerhalb der nichtleitenden Flüssigkeit 2 erzeugt werden und der elektrische Rührwerkstrom zu einem Wechsel von Einschalten und Ausschalten geführt wird, werden
erfindungsgemäß zumindest in einer quasilaminaren und nichtlinearen Strömung gearbeitet und nach dem Erreichen des Maximums der Geschwindigkeit U_rzmax der meridionalen Strömung 23 der Wechsel von Einschalten und Ausschalten des elektrischen Rührwerkstroms im Zeitintervall Δt oder Δt* mit Δt = tfm – tlam (dimensionsbehaftet) (Ia)oder Δt* = tfm* – tlam* (dimensionslos) (Ib)durchgeführt,
wobei t_fm dem Zeitpunkt t_EIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung 23 nach dem Ausschalten bei t_AUS1 des elektrischen Rührwerkstromes, zu dem der elektrische Rührwerkstrom wieder eingeschaltet wird, und
wobei t_lam dem Zeitpunkt t_AUS1 des Erreichens des ersten Maximums der volumengemittelten Geschwindigkeit U_rzmax der meridionalen Strömung 23 nach dem Einschalten des elektrischen Rührwerkstromes, zu dem der elektrische Rührwerkstrom erstmals ausgeschaltet wird,
entsprechen, und somit die Flüssigkeit 2 einer oszillierenden Rotationskraft F_PΩ unterworfen.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Rühren einer nichtleitenden Flüssigkeit 2, z.B. destillierten Wassers, in einem Behälter 3 gezeigt, in der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird. Die Vorrichtung 1 besteht aus dem geschlossenen zylindrischen Behälter 3, der in einem Längsschnitt als halber Behälter (von r = 0 bis r = R) dargestellt ist, aus einem Rührwerk 4 und aus einer Steuer-/Regeleinrichtung 5, die eine Rechnereinheit 24 enthält. Der geschlossene zylindrische Behälter 3 besteht aus einem Zylindermantel 6 sowie aus einem Boden 7 und einem Deckel 8. Der Zylindermantel 6 kann in Bodennähe und in Deckelnähe je eine durch die Pfeilrichtung dargestellte Ausgangsöffnung 9, 10 sowie mittig eine Eingangsöffnung 11 besitzen. Das Rührwerk 4 kann zwei einzelne voneinander getrennte Rührwerksteile 12, 13 aufweisen, die sowohl synchron, d.h. mit gleicher Winkelgeschwindigkeit, als auch asynchron, d.h. mit verschiedener Winkelgeschwindigkeit, angetrieben werden können. Das obere Rührwerksteil 12 enthält einen ersten Motor 14 und eine an einer ersten Motorwelle 15 befestigte, mit der Winkelgeschwindigkeit Ω₂ rotierende Oberscheibe 16. Das untere Rührwerksteil 13 weist einen zweiten Motor 17 und eine an einer zweiten Motorwelle 18 befindliche, mit der Winkelgeschwindigkeit Ω₁ rotierende Unterscheibe 19 auf.
Die Motorwellen 15, 18 weisen als Abdichtelemente im Bereich des Deckels 8 und des Bodens 7 jeweils abdichtende Muffen 20, 21 auf.
Vorzugsweise sind für das Ausführungsbeispiel die Motoren 14, 17 seitens der Winkelgeschwindigkeiten derart aufeinander abgestimmt, dass im Behälter 3 die Winkelgeschwindigkeiten beider Scheiben 16, 19 mit Ω₁ = Ω₂ gleich sind.
Anstelle der Ober- und Unterscheiben 16, 19 können auch Flügelräder eingesetzt sein. Der Behälter 3 steht vorzugsweise mit einem Thermostat (nicht eingezeichnet) in Verbindung, der eine konstante Temperatur der Flüssigkeit 2 im Behälter 3 erzeugt.
In der Steuer-/Regeleinrichtung 5 ist zumindest eine Rechner- und Auswerteenheit als ein Computer 24 sowie eine Schaltwechsel-Anordnung 25 zur Durchführung des Schaltwechsels des Rührwerkstromes zum zeitlich periodischen Wechsel der mechanischen Kraft F_PΩ enthalten. Die Schaltwechsel-Anordnung 25 kann einen gesteuerten, den Wechsel von Einschalten und Ausschalten durchführenden Stromunterbrecher für den Motorstrom des Rührwerks 4 enthalten. Die Schaltwechsel-Anordnung 25 kann mit elektronischen Bauelementen als Hardware und/oder mit programmtechnischen Mitteln als Software realisiert sein.
Zur Definition der azimutalen Strömung 22 und meridionalen Strömung 23 werden die volumengemittelten Geschwindigkeiten U_Θ und U_rz über das Zylindervolumen V = πR²H:
als volumengemittelte azimutale Geschwindigkeit und
als volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit festgelegt, wobei das Zylindervolumen mit gemitteltem Volumen V = πR²H mit dem Radius R und der Höhe H des Zylinderbehälters 3 vorgegeben ist. Dabei liegt bei geschlossenen Zylindern 3 vorzugsweise ein Größenverhältnis von A = H/2R = 1 vor.
Das Verhältnis zwischen der meridionalen Geschwindigkeit U_rz und der azimutalen Geschwindigkeit U_Θ der Flüssigkeit 2 hat sein Maximum im Stokesschen Strömungsbereich. Das bedeutet, die gesamten Vorgänge und die Parameter U_Θ und U_rz sowie die Zeit werden in der Steuer-/Regeleinrichtung 5 derart dargestellt, dass zumindest in der quasilaminiaren und nichtlinearen Strömung gearbeitet wird. Die Möglichkeit, die Schaltwechsel-Bedingung zu erfüllen, liegt in dem sich wiederholenden Vorgang der periodischen Einschaltung und der dadurch bedingten Beschleunigung – spin-up – durch die Rotationskraft und der nachfolgendnen Abschaltung der Rotationskraft mit der damit in Verbindung stehenden Abbremsung – spin-down – nur der azimutalen Strömung 22 durch die Viskosität der Flüssigkeit 2.
Wenn ein Zylinder mit einem Größenverhältnis mit A ≠ 1 vorgesehen ist, dann beträgt vorzugsweise auch die Dauer des Intervalls Δt* = t_fm* – t_lam* (dimensionslos) oder nicht dimensionslos Δt = t_fm – t_lam.
In 2 ist das Verhältnis von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Zeit für den endlichen geschlossenen Zylinder mit permanent rotierenden Ober- und Unterscheiben, wobei N die Drehzahl pro Sekunde ist, gemäß dem Stand der Technik, dargestellt.
Nach dem Erreichen der maximalen Drehzahl bei permanenter kontinuierlicher Rotation der beiden Scheiben 16, 19 nach dem Stand der Technik liegt die kinetische Energie der meridionalen Strömung 23 bei 10% der azimutalen Strömung 22, wie in 2 gezeigt ist. Aber während der ersten Phase des Einschaltens im sogenannten laminaren Bereich des Stokesschen Strömungsbereiches liegt dieses Verhältnis für alle Winkelgeschwindigkeiten Ω bzw. Drehzahlen N bei 50%.
In 3 ist der zeitliche Verlauf der meridionalen volumengemittelten Geschwindigkeiten ohne einen Schaltwechsel (bei nicht gestrichelter Linie) und mit einem Schaltwechsel (bei gestrichelter Linie) mit Unterbrechung der mechanischen Rotationskraft, die die Ober- und Unterscheibe bewegt, für den geschlossenen Zylinder mit einem Radius von 25 mm und einer Höhe von 50 mm, wobei die Drehzahl N = 1.91 1/sec beträgt, als Vergleich zwischen der Erfindung (mit Schaltwechsel) und dem Stand der Technik (ohne Schaltwechsel) dargestellt. Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, durch den Übergang von der Rotation mit der permanent wirkenden Rotationskraft F_Ω zur periodisch ein-/ausgeschalteten Rotationskraft F_PΩ die kinetischen Energieverhältnisse zwischen der meridionalen Strömung 23 und der azimutalen Strömung 22 zu erhöhen. Die mechanische Rotationskraft F_Ω wird bei t_AUS1 abgeschaltet, wenn die laminare Stokessche Strömung, wie in 3 gezeigt ist, im Bereich bei U_rzmax und t_lam maximal entwickelt ist, das heißt, wenn t_lam = 2.2 sec beträgt, wobei der Bereich dem ersten Maximum U_rzmax im zeitlichen Verlauf der meridionalen volumengemittelten Strömungsgeschwindigkeit, wie in 3 gezeigt ist, entspricht. Nach der Abschaltung, d.h. nach der Unterbrechung der Rotationskraft werden durch die vorhandene Viskosität der Flüssigkeit 2 die Scheiben 16, 19 gebremst. Bei Erreichen des ersten Minimums U_rz1 im Verlauf der meridionalen Geschwindigkeit, entsprechend t_fm = 3.1 sec, wird die Rotationskraft F_Ω bei t_EIN1 wieder eingeschaltet, wie in 3 gezeigt ist, und die Strömungsgeshwindigkeit U_rz steigt wieder in den Stokesschen Strömungsbereich. Der nächste Einschalt-/Abschaltvorgang wird dann gemäß dem Zeitintervall Δt = t_fm – t_lam = 0.9 sec±1% sein, wobei die Indizes fm gleich – first minimum (erstes Minimum) – und lam gleich – laminar – bedeuten.
In 4 wird der zeitliche Verlauf der oszillierenden (pulsierenden) mechanischen Rotationskraft F_PΩ mit der Einschalt- und Abschaltfunktion in Form des Schaltwechsels im Zeitintervall Δt gezeigt. Im Beispiel beträgt der Zeitintervall Δt = 0.9 sec nur für einen geschlossenen Behälter-Zylinder mit einem Größenverhältnis von A = H/2R = 1. Bei einem Zylinder mit einem anderen Größenverhältnis A ≠ 1, wird die zugehörige Dauer des Zeitintervalls Δt aus der jeweiligen Differenz Δt = t_fm – t_lam ermittelt.
In 5 sind Momentaufnahmen des zeitlichen Verlaufs der azimutalen Strömung (1) und meridionalen Strömung (2) während der Einschalt- und Ausschaltphase in 5a1,2 bei einer laminaren Stokesschen Strömung bei t_lam = 2,2 sec, in 5b1,2 bei einer nichtlinearen Strömung bei t = t_fm = 3.1 sec (entspricht der nicht gstrichelten Kurve in 3) und in 5c1,2 bei einer nicht-linearen Strömung bei t = t_fm = 3.1 sec mit Abschalten der Rotationskraft nach t = 2.2 sec (entspricht der gestrichelten Kurve in 3) dargestellt. Dabei wird im Wesentlichen die Struktur der meridionalen Strömung entsprechend dem ersten Maximum und Minimum von U_rz gezeigt.
Die Struktur der azimutalen Strömung in 5a1 und die Struktur der meridionalen Strömung U_rzmax in 5a2 sind zu dem Zeitpunkt t_lam* dargestellt. Die meridionale Strömung weist keine Wirbel auf.
In 5b1 hat sich bei t_fm die azimutale Strömung verändert und in 5b2 beginnt die meridionale Strömung, bei der Geschwindigkeit U_rz1 Wirbel zu bilden. In 5c2 haben sich im Minimum U_rzmin Wirbel der meridionalen Strömung als auch der azimutalen Strömung in 5c1 im Randbereich des zylindrischen Behälters 3 ausgebildet.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich eine Steuerungs-Gleichung, die in die Rechnereinheit 24 der Steuer-/Regeleinrichtung 5 eingegeben wird, zur periodischen Ein-/Abschaltung der mechanischen Rotationskraft F_Ω, die die Ober- und Unterscheibe 16, 19 bewegt:
mit Δt = tfm – tlam (Ia)
sowie
mit der Rotationskraft F_Ω = m_R·Ω²·R,
wobei m_R die Masse des Rührwerks 4 innerhalb des Zylinders 3 mit dem Radius R ist. Der Faktor k kann nur INTEGER sein, z.B. int(2.9) = 2.
Die Erfindung ermöglicht es, die sich aus der Steuerungs-Gleichung (IV) ergebenden Ergebnisse mit Rührvorgängen im mit Wasser gefüllten Behälter 3 zu überprüfen. Die Winkelgeschwindigkeit der Ober- und Unterscheibe ist mit Ω₁ = Ω₂ = 12 rad/sec, N = 1.91 1/sec vorgegeben.
In 6 sind der zeitliche Verlauf der volumengemittelten azimutalen Geschwindigkeit (6a) und meridionalen Geschwindigkeit (6b) in einem geschlossenen Zylinder mit rotierenden Ober- und Unterscheiben bei einer Drehzahl von N = 1,91 1/sec dargestellt. Daraus sind im Vergleich der integralen Eigenschaften von Wirbelströmungen, wie sie von beiden Formen – der permanenten Rotationskraft F_Ω und der oszillierenden Rotationskraft F_PΩ – erzeugt werden, gezeigt. Das Verhältnis der durchschnittlichen Zeitwerte bei azimutalen Geschwindigkeiten beträgt bei einem Durchschnittsvolumen von 0,5 als Folge eines Energiespareffektes von 50%. Doch gleichzeitig liegt das Verhältnis der meridionalen Strömungsgeschwindigkeit bei 0,76.
In 7 ist das Verhältnis von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als zeitbezogene Funktion für einen endlichen geschlossenen Zylinder mit rotierenden Ober- und Unterscheiben bei einer Drehzahl von N = 1.91 1/sec dargestellt. Auch das Verhältnis der meridionalen und azimutalen Strömungsgeschwindigkeiten wird verbessert, es liegt bei 14%, verglichen mit den 11,5 aus dem bekannten Verfahren in 2.
In 8 sind zwei Vergleichsdarstellungen für das meridionale Geschwindigkeitsfeld nach 138 sec für einen geschlossenen endlichen Zylinder mit rotierenden Ober- und Unterscheiben mit einer Drehzahl von N = 1.91 1/sec gezeigt, wobei in 8a das meridionale Geschwindigkeitsfeld ohne Abschaltung der mechanischen Rotationskraft F_Ω, die die Ober- und Unterscheibe bewegt, und in 8b das meridionale Geschwindigkeitsfeld mit einem periodischen Wechsel zwischen Einschalten und Abschalten der mechanischen Rotationskraft F_PΩ, die die Ober- und Unterscheibe bewegt, gezeigt sind. In 8a ist eine ausgeprägte randbereichsseitige Wirbelbildung vorhanden, während in 8b durch die oszillierende Rotationskraft F_PΩ eine wesentlich verringerte Wirbelbildung entsteht.
Außerdem bedeutet die Anwendung der Steuerungs-Geichung (IV) eine Verringerung der Turbulenzen, wie der Vergleich in 8 zeigt, und die Erhaltung der Symmetrie bezüglich der H/2-Linie. Das Phänomen ist in der chemischen Industrie erwünscht, wenn eine unveränderliche Grenze zwischen zwei reagierenden Flüssigkeiten bei hoher Geschwindigkeit von großer Wichtigkeit ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Rühren kann somit eine Steuerung/Regelung der Strömung in der nichtleitenden Flüssigkeit durchgeführt werden.
Insgesamt besteht die Erfindung in einer Steuerung für das Einschalten/Abschalten der mechanischen Kraft F_PΩ, die ge genüber bekannten Verfahren zum Rühren mit einer permanenten Rotationskraft F_Ω die folgenden Vorteile aufweist:

1. Die Verringerung des Turbulenzgrades,
2. eine Erhöhung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler kinetischer Energie und
3. eine Energie-Ersparnis von 50%.

1: Vorrichtung
2: Flüssigkeit
3: Behälter
4: Rührwerk
5: Steuer-/Regeleinrichtung
6: Zylindermantel
7: Boden
8: Deckel
9: erste Ausgangsöffnung
10: zweite Ausgangsöffnung
11: Eingangsöffnung
12: oberes Rührwerksteil
13: unteres Rührweksteil
14: erster Motor
15: erste Motorwelle
16: Oberscheibe
17: zweiter Motor
18: zweite Motorwelle
19: Unterscheibe
20: erste Muffe
21: zweite Muffe
22: azimutale Strömung
23: meridionale Strömung
24: Rechnereinheit
25: Schaltwechsel-Anordnung

Claims

Verfahren zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines mit einer einen Rührwerkstrom einstellenden Steuer-/Regeleinrichtung verbundenen Rührwerkes mittels eines oberen und eines unteren Rührwerksteils eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung innerhalb der nichtleitenden Flüssigkeit erzeugt werden und der elektrische Rührwerkstrom zu einem Wechsel von Einschalten und Ausschalten geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einer quasilaminaren und nicht-linearen Strömung gearbeitet wird und nach dem Erreichen des Maximums der Geschwindigkeit U_rzmax der meridionalen Strömung der Wechsel von Einschalten und Ausschalten des elektrischen Rührwerkstroms im Zeitintervall Δt oder Δt* mit Δt = tfm– tlam (dimensionsbehaftet) (Ia)oder Δt* = tfm*– tlam* (dimensionslos) (Ib)durchgeführt wird, wobei t_fm dem Zeitpunkt t_EIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung (23) nach dem Ausschalten bei t_AUS1 des elektrischen Rührwerkstromes, zu dem der elektrische Rührwerkstrom wieder eingeschaltet wird, und wobei t_lam dem Zeitpunkt t_AUS1 des Erreichens des ersten Maximums der volumengemittelten Geschwindigkeit U_rzmax der meridionalen Strömung (23) nach dem Einschalten des elektrischen Rührwerkstromes, zu dem der elektrische Rührwerkstrom erstmals ausgeschaltet wird, entsprechen, und somit die Flüssigkeit (2) einer oszillierenden Rotationskraft F_PΩ unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Charakterisierung der azimutalen Strömung (22) und meridionalen Strömung (23) die Geschwindigkeiten U_θ und U_rz
als volumengemittelte azimutale Geschwindigkeit und
als volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit mit gemitteltem Volumen V = πR²H für einen Zylinder-Behälter (3) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Steuerungs-Gleichung in eine Rechnereinheit (24) der Steuer-/Regeleinrichtung (5) zur Durchführung der periodischen Ein-/Abschaltung der mechanischen Rotationskraft F_PΩ, die eine Oberscheibe (16) des oberen Rührwerksteils (12) und eine Unterscheibe (19) des unteren Rührwerksteils (13) bewegt, eingegeben wird:
mit Δt = tfm – tlam (Ia)
sowie mit der Rotationskraft F_Ω = m_R·Ω²·R, wobei m_R die Masse des Rührwerks (4) innerhalb des Zylinders (3) mit dem Radius R ist und der Faktor k nur INTEGER ist, z. B. int(2.9) = 2.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltwechsel mit dem Zeitintervall Δt oder Δt* zu einem periodischen Vorgang der Einschaltung, die verbunden ist mit einer Beschleunigung durch die Rotationskraft, und der Abschaltung, die verbunden ist mit einer Bremsung des Rührwerks (4) durch die Viskosität der Flüssigkeit (2), geführt wird.
Vorrichtung zum Rühren von nichtleitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines mithilfe einer Steuer-/Regeleinrichtung stromeingestellten Rührwerkes mittels eines oberen und eines unteren Rührwerksteils eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung innerhalb der nichtleitenden Flüssigkeit erzeugt werden, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung eine Rechnereinheit enthält und mit dem Rührwerk verbunden ist, mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (5) eine Schaltwechsel-Anordnung (25) zur Unterbrechung der Stromzufuhr zum Rührwerk (4) im Zeitintervall Δt oder Δt* mit Δt = tfm – tlam (dimensionsbehaftet) (Ia)oder Δt* = tfm* – tlam* (dimensionslos) (Ib)aufweist, die der Rechnereinheit (24) zugeordnet ist, und das Rührwerk (4) zwei einzelne voneinander getrennte Rührwerksteile (12, 13) aufweist, die sowohl synchron mit gleichen Winkelgeschwindigkeiten als auch asynchron mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten antreibbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Rührwerksteil (12) einen ersten Motor (14) und eine an einer ersten Motorwelle (15) befestigte, mit der Winkelgeschwindigkeit Ω₂ rotierende Oberscheibe (16) und das untere Rührwerksteil (13) einen zweiten Motor (17) und eine an einer zweiten Motorwelle (18) befindliche, mit der Winkelgeschwindigkeit Ω₁ rotierende Unterscheibe (19) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoren (14, 17) seitens der Winkelgeschwindigkeiten derart aufeinander abgestimmt sind, dass im Behälter (3) die Winkelgeschwindigkeiten beider Scheiben (16, 19) mit Ω₁ = Ω₂ gleich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Ober- und Unterscheiben (16, 19) Flügelräder eingesetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (6) des Behälters (3) in Bodennähe und in Deckelnähe wahlweise je eine Ausgangsöffnung (9, 10) sowie mittig eine Eingangsöffnung (11) besitzt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuer-/Regeleinrichtung (5) zumindest eine Rechner- und Auswerteeinheit als ein Computer (24) sowie eine Schaltwechsel-Anordnung (25) zur Durchführung des Schaltwechsels Δt oder Δt* des Rührwerkstromes zum periodischen Wechsel der mechanischen Rotationskraft F_PΩ enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltwechsel-Anordnung (25) einen gesteuerten, den Wechsel von Einschalten und Ausschalten durchführenden Stromunterbrecher für den Motorstrom des Rührwerks (4) enthält, wobei die Schaltwechsel-Anordnung (25) wahlweise mit elektronischen Bauelementen als Hardware und/oder mit programmtechnischen Mitteln als Software ausgebildet ist.
Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen in der Kristallzüchtung zur einer Verringerung von Kristalldefekten durch Reduzierung des Turbulenzgrades.
Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen in der chemischen Industrie für die chemischen Reaktionen, wenn eine unveränderliche Grenze zwischen zwei reagierenden Flüssigkeiten bei hoher Fließgeschwindigkeit vorgesehen wird, insbesondere zur Beseitigung von Instabilitäten zwischen den beiden reagierenden chemischen Flüssigkeiten.