DE102005058729A1

DE102005058729A1 - Vorrichtung und Verfahren zur elektromagnetischen Beeinflussung der Strömung von gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden

Info

Publication number: DE102005058729A1
Application number: DE102005058729A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr.-Ing. Halbedel; Dagmar Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. oec. Hülsenberg; Uwe Dipl.-Ing. Krieger; Ulrich Dr.-Ing. Lüdtke; Gunter Dr.rer.nat. habil. Carl; Hans-Jürgen Dr.-Ing. Linz
Original assignee: JSJ JODEIT GmbH; Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: JSJ JODEIT GmbH; Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2007-06-14
Also published as: EP1957416A1; WO2007065937A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur effizienten elektromagnetischen Beeinflussung von gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden bereitgestellt werden, wobei die Strömungsbeeinflussung abschnittsweise, gezielt steuerbar und werkzeuglos erfolgen soll. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird mit einem Magnetsystem (1) und einem Elektrodensystem (3) in dem Fluid ein magnetisches Wwechselfeld und eine radiale Stromdichtverteilung erzeugt, so dass senkrecht zur Fließrichtung des Fluides eine tangentiale Strömung elektromagnetisch initiiert wird und das Fluid in Abhängigkeit von der Größe der elektromagnetisch generierten tangentialen Strömungskomponente laminar gerührt und homogenisiert wird. DOLLAR A Die vorgeschlagene Vorrichtung und das dazugehörige Verfahren sind für die Herstellung technischer Gläser, Gläser für Flachbildschirme auf LCD- und Plasmabasis, optischer Gläser, Glasseiden, Behältergläser u. a. geeignet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein damit realisierbares Verfahren zur elektromagnetischen Beeinflussung der Strömung von gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden – vorrangig Glasschmelzen – in Kanälen beliebigen Querschnitts mittels Lorentzkräften, die durch Einprägung eines externen magnetischen Wechselfeldes und durch Erzeugung einer elektrischen Stromdichteverteilung gleichen zeitlichen Verhaltens in der Schmelze generiert werden.

Die Beeinflussung der Strömung in einem Glasschmelzaggregat erfolgt in der Praxis vorrangig durch Konvektion, welche unter dem Einfluss der Schwerkraft durch Dichteunterschiede infolge von Temperaturgradienten in der Schmelze entsteht. Sie wird oft mit Hilfe einer elektrischen Zusatzheizung (EZH) verstärkt. Damit ist die erzeugte Kraftwirkung allerdings immer an die Richtung der Schwerkraft bzw. entgegengesetzt dazu sowie an das Vorhandensein von Temperaturgradienten gebunden. Hiermit allein ist also nie eine thermische Homogenisierung der Schmelze möglich und die chemische Homogenisierung ist an lange Prozesszeiten gebunden. Zudem können lokale Unterkühlungen bzw. Überhitzungen der Schmelze und das damit verbundene Reboiling auftreten.

Eine weitere angewandte Strömungsbeeinflussung ist das mechanische Rühren. Es erfolgt mit Hilfe verschiedener Rührertypen und bei Glasschmelzen an unterschiedlichen Positionen im Schmelzaggregat. So bewirkt z.B. ein Stabrührer mit Hilfe hoher Drehzahlen und den dadurch auftretenden Scherkräften eine eventuell vorhandene Schliere auseinander zu ziehen, wodurch ihre Oberfläche vergrößert und die für den Abbau des chemischen Gradienten notwendige Diffusion begünstigt wird (s. u.a. DE 100 57 285 ).

Für die Verbesserung der thermischen Homogenität werden vor allem Spiralrührer verwendet, da sie einen hohen Materialtransport gewährleisten [1]. Deshalb eignen sie sich auch besonders zum Einfärben von Glas im Speiser der Glasschmelzanlage (Feederbereich) ( SU 1 011 564 ).

Flügelrührer hingegen erzeugen die Scherkräfte durch unterschiedliche Geschwindigkeiten entlang eines Flügels ( DD 296 798 , DD 274 812 , EP 0 504 774 ).

Trotz vielfacher Anwendung gewährleistet der Einsatz von mechanischen Rührern jedoch oft nicht die gewünschte Verbesserung der Homogenität der Glasschmelzen, da einerseits die Abrasionsprodukte der Rührer wieder Färbungen, Kristallkeime und sonstige Verunreinigungen [1] verursachen und andererseits die Gefahr des thermischen Reboilings durch Unterkühlung der Schmelze besteht [2]. Weiterhin haben diese Rührer begrenzte Betriebszeiten und rufen infolge des oft notwendigen Edelmetalleinsatzes (Platin, Platin-Rhodium) hohe Betriebskosten hervor.

In der GB 1289317 bzw. DE 2056445 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glas beschrieben, bei dem zum Rühren von Glasschmelzen, insbesondere während des Gießvorganges oder der Läuterung, elektromagnetische Kräfte genutzt werden, die aus der Wechselwirkung des Heizstromes mit einem senkrecht dazu stehenden äußeren Magnetfeld resultieren. Hierbei werden Wechselströme mit einer Frequenz von 50Hz und magnetische Wechselfelder gleicher Frequenz genutzt. Die Phasenlage muss nicht zwingend übereinstimmen. Das Magnetfeld wird von einem oder mehreren von außen an die Schmelzgefäße adaptierten einphasigen und dreiphasigen eisenbehafteten Wechselstrommagneten erzeugt. Durch getrennte Ansteuerung einzelner Magnete sollen unterschiedliche Strömungen realisiert werden. Zur Erzielung hinreichender Rührwirkungen wird empfohlen, das Verhältnis der elektromagnetischen Kraft zu der Konvektionskraft gemäß Gleichung (1)

einzustellen. Es bezeichnen:

j – die elektrische Stromdichte in der Schmelze,
B – die magnetische Flussdichte,
g – die Erdbeschleunigung,
ρ_F – die Dichte der Glasschmelze,
β_F – den thermischen Volumen-Ausdehnungskoeffizienten der Schmelze
Δϑ – den Temperaturgradienten in der Schmelze.

Auch nach [3] wird eine deutliche Verbesserung der Farbcharakteristik UV-absorbierender Gläser erzielt, wenn durch die Schmelze über Top-Elektroden ein Wechselstrom geführt und senkrecht dazu ein magnetisches Wechselfeld das Schmelzgefäß durchdringt. Die bessere Verteilung der färbenden Glasbestandteile (Cr³⁺/Cr⁶⁺-; Fe³⁺- Ionen) wird auf die aus der elektromagnetisch generierten Volumenkraftdichte – im folgenden als Lorentzkraftdichte bezeichnet –

mit

f →_L – Lorentzkraftdichte,
F →L – Lorentzkraft,
V – Volumenelement,

resultierenden Strömung in der Glasschmelze zurückgeführt. Die erzielten Strömungsgeschwindigkeiten sollen bei einer magnetischen Induktion von 0,15 T bis zu 12 cm/s betragen haben. Über die Stromdichten j in der Schmelze liegen keine Angaben vor.

Daneben sind aus [4] weitere Ergebnisse zum elektromagnetischen Rühren in einer kleintechnischen Anlage (Kanalschmelzer mit 0,5 m³ Fassungsvermögen) bekannt. Hierbei werden zwei hufeisenförmige Wechselstrommagnete an den Seitenwänden des Kanalschmelzers gegenüberliegend angebracht, so dass sich das Magnetfeld über den Schmelzkanal schließen muss. Drei Elektroden sind im Bereich der Einwirkung der Magnetfelder der Wechselstrommagneten mittig im Schmelzkanal mit einem bestimmten Abstand positioniert, so dass das elektrische Strömungsfeld zwischen den Elektroden mit dem in die Schmelze eindringenden Magnetfeld gekreuzt und endliche Lorentzkraftdichten generiert werden, die wiederum Strömungen im Kanalquerschnitt initiieren. Die Wirkung dieser Strömung trägt zur Homogenisierung der Schmelze bei. Die Effekte werden anhand von Brechzahlmessungen an Proben aus der erkalteten Schmelze nachgewiesen. Die mittleren Induktionen in der Glasschmelze betragen zwischen 0,015 T bis 0,249 T.

In SU 81 49 04 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Läuterung und Homogenisierung von insbesondere hochviskosen Glasschmelzen (bis zu 500 Pas bei Temperaturen von 1250°C bis zu 1460°C) in einem speziellen Schmelzaggregat vorgeschlagen, wobei eine Strömung der Größenordnung 4 bis 5 cm/s und deren Wechsel (z. B. alle 3 bis 5 min) in horizontaler und vertikaler Richtung mittels entsprechend in der Schmelze wirkenden Lorentzkraftdichten erzwungen wird. Dazu befinden sich in der Schmelze 3 Elektrodenpaare, womit Stromdichteverteilungen je nach Glasart von 10 bis etwa 50 mA/mm² erzeugt werden und außen am Schmelzaggregat ein Elektromagnet, der ein zu der Stromdichte senkrecht stehendes und zeitlich synchrones Magnetfeld (Flussdichte bis 40 mT) realisiert. Die Richtungswechsel von Lorentzkraftverteilung und Strömung in der Schmelze sollen durch Umschalten der Elektroden und des Elektromagneten mittels eines nicht näher beschriebenen Gerätes erfolgen. Die elektromagnetische Läuterungs- und Homogenisierungsprozedur kann bis zu mehreren Stunden dauern (1 bis 3 h). Die Verbesserung der Glasqualität durch die elektromagnetisch initiierten Strömungen wurde anhand der Abnahme der Blasenhaltigkeit von Glasproben im Vergleich zu traditionell hergestellten (ohne magnetisches Rühren) Gläsern nachgewiesen. Als Beispiele sind u.a. für verschiedene Glaszusammensetzungen (in Ma-%) folgende Prozeduren angegeben:

• 31,04% SiO₂; 65,57% PbO; 2,64% Na₂O; 0,5% As₂O₃ und 0,25% Sb₂O₃; Aufschmelzen: 1350°C, 3 h Läutern: 1480°C (30 Pas); 50 mA/mm²; 50 mT; Richtungswechsel alle 5 min; 15 min lang Homogenisieren: 1240°C (50–70 Pas); 50 mA/mm²; 50 mT; Richtungswechsel alle 5 min; 90 min lang
• 65,15% SiO₂; 12,11% B₂O₃; 3,19% Al₂O₃; 1,56% BaO; 1,20% CaO; 0,50% MgO; 6,10% K₂O; 9,89% Na₂O und 0,30% As₂O₃; Aufschmelzen: 1380°C–1420°C, 3 h Läutern: 1440°C–1460°C (20–25 Pas); 20 mA/mm²; 40m T; Richtungswechsel alle 2,5 min; 15 min lang Homogenisieren: 1280°C–1260°C (225–230 Pas); 50 mA/mm²; 40 mT; Richtungswechsel alle 5 min; 90 min lang
• 42,80% SiO₂; 45,00% PbO; 10,40% K₂O; 1,50% Na₂O; 0,30% As₂O₃ Aufschmelzen: 1380°C, 3 h Läutern: 1450°C (20 Pas); 30 mA/mm²; 50m T; Richtungswechsel alle 5 min; 30 min lang Homogenisieren: 1280°C (120 Pas); 30 mA/mm²; 50 mT; Richtungswechsel alle 5 min; 60 min lang

In SU 10 244 23 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Homogenität von Glasschmelzen mit Hilfe künstlicher Lorentzkräfte beschrieben, wobei nacheinander länger andauernd (5–20 min) ein niederfrequentes magnetisches Grundfeld (0,2–0,6 T; 50 Hz) und kurz (0,5–2,5 s) ein weiteres, aber höherfrequentes Magnetfeld (0,01–0,03 T, 19– 250 kHz) auf eine mit einer elektrischen Stromdichte (synchron mit dem Grundfeld) durchsetzten Glasschmelze einwirken. Die Zeit für die elektromagnetische Homogenisierungsprozedur beträgt 15 min bis 60 min. Dieses Schmelzverfahren soll insbesondere für die Herstellung von optischen Gläsern geeignet sein.

Das Patent JP 1285547 hingegen beschreibt elektromagnetisch initiierte Rührwirkungen in Glasschmelzen bestimmter Zusammensetzung, deren Schmelzzustand in einem induktiv beheizten Platintiegel erzeugt wird. Ein magnetisches Feld – vermutlich Gleichfeld – mit einer Intensität im Bereich von 0,1 T bis 8 T wird parallel oder parallel zur Tiegelachse aufgeprägt. Als Einwirkzeiten des Magnetfeldes werden 2 bis 5 h angegeben. Die Zusammensetzung der Glasschmelzen sollte mindestens eines der bekannten netzwerkbildenden Oxide SiO₂, B₂O₃, P₂O₅ oder GeO₂ enthalten. Der Anteil dieser Netzwerkbildner – einzeln oder in der Summe – muss allerdings kleiner als 30 mol-% betragen. Auf die Erzeugung einer elektrischen Stromdichte in der Schmelze über Elektroden wird nicht hingewiesen. Es ist somit davon auszugehen, dass in der Schmelze kein von außen initiierter Ionenstrom fließt. Trotzdem wird eine zusätzliche Strömung festgestellt. Der Einfluss dieser elektromagnetisch hervorgerufenen Strömungen wurde mit Laborexperimenten unter definierten Betriebszuständen durch Messung der veränderten Temperaturverteilungen nachgewiesen. Insbesondere Gläser mit hoher Homogenität und Transmission für optische Anwendungen (Lichtleitfasern, Lasergläser, Gläser extrem hoher Brechzahl, IR-Gläser,...) sollen damit ohne mechanisches Rühren herstellbar sein. Angegeben werden z.B. zweistündige Schmelzprozeduren mit 2 T mit folgenden Zusammensetzungen (in mol-%):

• 77,80% TeO₂; 3,10% PbO; 14,10% B₂O₃; 1,60% Bi₂O₃; 1,6% WO₃; 1,8% Al₂O₃ bei 900°C (→ hochbrechende Telluritgläser),
• 51,00% ZrF₄; 20,00% BaF₂; 4,50% LaF₃; 4,50% AlF₃; 20,00% NaF₂ bei 900°C (→ Zirkonfluoridgläser für Lichtleiter),
• 21,60% Bi₂O₃; 44,80% PbO; 13,60% Ga₂O₃; 20,00% GeO₂ bei 1000– 1250°C (→ Germanatgläser).

Das Patent enthält keine Erläuterungen zu den Ursachen der erzielten Effekte. Vermutlich erzeugt die induktive Erwärmung der Tiegelwand eine starke lokale Erwärmung der Schmelze in den Außenbereichen, wodurch eine intensive Konvektion in der Schmelze entsteht. Infolge des sehr geringen Netzwerkbildneranteils der halbleitenden bzw. hochionenleitenden Gläser stellt diese Strömung gleichzeitig einen Gleichstrom dar. Die Kreuzung dieses natürlichen Gleichstromes mit einem ausreichend starken statischen Magnetfeld führt zu einer konstanten und in einer Richtung wirkenden Lorentzkraft, die die vorhandene Konvektionsströmung verändert, so dass die festgestellten Homogenisierungseffekte entstehen.

In dem Patent WO 008157 wird ein Verfahren beschrieben, das nach dem Prinzip des Induktionstiegelofens arbeitet. Erfindungsgemäß wird ein zweiter galvanisch getrennter, aber induktiv gekoppelter Induktor benutzt, der ein entgegengesetzt gerichtetes, ebenfalls hochfrequentes elektromagnetisches Feld (0,1 MHz < f < 20 MHz) erzeugt, das auch die Schmelze durchdringt. Die elektromagnetische Kraftwirkung, die sich aus der Wechselwirkung der in der Schmelze induzierten Wirbelströme und den sich überlagernden Induktorfeldern ergibt, erzeugt eine Veränderung der Geometrie der Schmelzoberfläche und eine intensivere, turbulente Durchmischung, wodurch sich das Aufschmelzverhalten von eingebrachtem Glaspulver verbessert. Die Effekte können mit einer Phasenverschiebung der beiden Induktorsysteme von 20° bis 40° erzielt werden. Jedoch sind aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit von Glasschmelzen und der hohen Verluste sowie des hohen technischen Aufwands für die elektrische Stromversorgung des Induktorsystems die realisierbaren geometrischen Abmessungen des Schmelzaggregates stark eingeschränkt (Durchmesser des Ausführungsbeispiels ca. 10 cm). Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass ein kontinuierlicher Betrieb des Herstellungsverfahrens bisher nicht realisiert wurde.

In der nationalen sowie auch in der internationalen Praxis finden Glasschmelzanlagen mit den bisher bekannten, oben angeführten Vorrichtungen zur elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung gegenwärtig keine Anwendung, da die damit erzielbaren Effekte nicht ausreichend sind. Die Ursache ist eine ungenügende und/oder diffuse Durchdringung der Schmelzen mit den extern erzeugten Magnetfeldern, so dass die vektorielle Verknüpfung mit der elektrischen Stromdichte in der Schmelze nicht zu der maximal möglichen Lorentzkraftdichte führt. Des Weiteren sind die Aufwendungen für die Erzeugung des erforderlichen externen Magnetfeldes zu hoch. Dadurch lassen sich die erzielten Effekte nicht wertschöpfend umsetzen. Zudem führen die Maßnahmen zur elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung teilweise zu nachteiligen Nebeneffekten:

• Reboiling infolge örtlicher Überhitzungen durch ungleichmäßige Verteilung der eingeprägten elektrischen Stromdichten, das durch die exponentielle Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit von Glasschmelzen mit der Temperatur noch verstärkt werden kann,
• Aufwölbungen/Durchbruch der Gemengedecke bei vollelektrischen Schmelzen (VES) über den Bodenelektroden (Bottom-Elektroden) infolge der in Elektrodennähe starken und nach oben gerichteten natürlichen Lorentzkräfte und daraus resultierendes Ansteigen der Wärmeabstrahlung und Gewölbeschäden.

Die zur Zeit verwendeten Technologien zur Strömungsbeeinflussung (Konvektion, mechanisches Rühren) haben den Nachteil, dass die Eigenschaften der Glasschmelze unmittelbar vor dem Verlassen des Schmelzaggregates nur unzureichend steuerbar sind. Besonders zu nennende Problemstellungen sind:

• auf empirischen Ansätzen basierende Durchflusssteuerung/Portionierung der Schmelze
• unzureichende chemische und thermische Homogenität der Schmelze
• Kristallisationen in der Schmelze.

Für die sich anschließende Formgebung bedeutet das unter Umständen lange Einfahrzeiten des Prozesses, große Toleranzen in der Maßhaltigkeit und in den Eigenschaften des gefertigten Produktes.

Die steigenden Anforderungen an technische Gläser sowie der Trend zur Kostenreduzierung erfordern aber eine stetige Verbesserung der Glasproduktion. Ebenso ist das Schmelzen neuer, vor allem hochschmelzender Glaszusammensetzungen notwendig. Um also auch die erforderliche Qualität des Glasproduktes auch in Zukunft gewährleisten zu können, sind demnach die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in einem Schmelzaggregat von großer Bedeutung.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur effizienten elektromagnetischen Beeinflussung von Schmelzströmungen – vorrangig Glasschmelzen oder anderen gering elektrisch leitfähigen, viskosen Fluiden – in vorzugsweise vertikalen Kanälen beliebigen Querschnitts zu schaffen, wobei die Strömungsbeeinflussung abschnittsweise, gezielt steuerbar und werkzeuglos erfolgen soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch die Merkmale des ersten Patentanspruches und verfahrensseitig durch die Merkmale des Patentanspruches 17 gelöst.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 16 gekennzeichnet, während bevorzugte weitere Ausgestaltungen des Verfahrens in den Patentansprüchen 18 bis 32 angegeben sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile in den gesamten Figuren bezeichnen, näher erläutert wird. Es zeigen:

1 – einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung

2 – einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung

3 – einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung

4 – die Verteilung der magnetischen Flussdichte in einem Ausschnitt der Vorrichtung nach 3 bei einer magnetischen Durchflutung von 2500 A, Skala in T

5 – die Verteilung der Stromdichte im Ringspalt der Vorrichtung nach 3 bei einer Elektrodenspannung von 130 V und einer mittleren elektrischen Leitfähigkeit der Glasschmelze von 1 S/m, Skala in A/m²

6 – die Verteilung der Lorentzkraft im Ringspalt der Vorrichtung nach 3 bei einer Elektrodenspannung von 130 V, einer mittleren elektrischen Leitfähigkeit der Glasschmelze von 1 S/m und einer magnetischen Durchflutung von 2500 A, Skala in N/m³

7 – prinzipielle erfindungsgemäße Durchflussregelung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, dass die Wandung des vorzugsweise vertikalen Kanals, die unmittelbar mit dem Fluid in Verbindung steht, partiell oder vollständig elektrisch leitfähig ausgeführt wird, und in dem Kanal eine Innenelektrode mittig angeordnet und ebenso wie die Außenelektrode partiell oder vollständig elektrisch leitfähig ausgeführt wird, so dass bei Anlegen einer Wechselspannung an diese Außen- und Innenelektrode das Fluid über die Höhe des Kanals partiell oder vollständig von einer vorrangig radialen Stromdichteverteilung durchsetzt wird.

Zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes in dem in diesem Kanal befindlichen Fluid, werden konzentrisch um den Kanal mindestens 2 (oder ein Vielfaches davon) eisenlose Magnetspulen vorzugsweise in einer Helmholtzanordnung positioniert. Diese Magnetspulen werden mit einem hinsichtlich seines zeitlichen Verhaltens dem Elektrodenstrom analogen Spulenstrom gespeist, so dass der Kanalquerschnitt vollständig und gleichmäßig axial von diesem Magnetfeld durchdrungen wird. In Folge dessen stehen im Fluid das elektrische Strömungsfeld j → und das magnetische Feld B → senkrecht zueinander und ergeben hier gemäß Gleichung (2) die maximal mögliche Lorentzkraftverteilung F →_L, die tangential zur Stromdichteverteilung in Abhängigkeit von der Phasenlage zwischen Spulen- und Elektrodenstrom in positiver oder negativer Richtung ausgerichtet ist. Diese tangentiale Lorentzkraftverteilung prägt dem Fluid auch eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente auf. Abhängig von ihrer Größe entsteht somit eine mehr oder weniger intensiv gerührte, spiralförmige Strömung in einem unter Schwerkraft auslaufenden oder durch eine Pumpe geförderten Fluid.

Die Anordnung der Magnetspulen gemäß der Helmholtzbedingung (Spulenradius = Spulenabstand) gewährleistet eine ausreichend gleichmäßige Verteilung des magnetischen Feldes über den gesamten Kanalquerschnitt und die Kanalhöhe im Spulenbereich bei minimalem Einsatz von Leitungsmaterial für diese Magnetspulen.

Bei hochschmelzenden Fluiden und entsprechenden Qualitätsanforderungen sind die Innen- und die Außenelektrode (Kanalbewandung) aufgrund der erforderlichen Temperaturbeständigkeit aus entsprechenden Platinlegierungen auszuführen. Dies hat zur Folge, dass zur Vermeidung von Platinkorrosionen für den Spulen- und Elektrodenstrom vorzugsweise Frequenzen ≥ 1 kHz verwendet werden müssen. Für andere Elektrodenmaterialien (Molybdän, Zinndioxid,... Kupfer) sind die vorhandenen Netzfrequenzen (50/60 Hz) nutzbar.

Werden mehrere Magnetspulenpaare um den fluidführenden Kanal positioniert, können diese zur Anpassung an die zur Verfügung stehenden Stromquellen (Mittelfrequenzgenerator, Frequenzumrichter) elektrisch in Reihe oder parallel und bezüglich der Stromrichtung in den Magnetspulen gleich- oder entgegengesetzt verschaltet werden.

Bei gleichgerichtet verschalteten Magnetspulen entsteht eine über die Höhe des Kanals in eine tangentiale Richtung wirkende Lorentzkraftdichteverteilung. Demzufolge bildet sich im Fluid eine nur in eine Richtung wirkende tangentiale Strömungskomponente.

Werden die Magnetspulen in entgegengesetzter Richtung verschaltet, können abschnittsweise entgegenwirkende Teilmagnetfelder und damit abschnittsweise abwechselnd in positiver oder negativer tangentialer Richtung wirkende Lorentzkräfte und Geschwindigkeitskomponenten im Fluid realisiert werden. Mit dieser entgegengesetzten Verschaltung der Magnetspulen sind bei sonst gleichen Bedingungen die höchsten Geschwindigkeitsgradienten im Fluid erzielbar. Dies wiederum führt zu einer guten Homogenisierung dieser Fluide, da die Durchmischung von hochviskosen Fluiden immer an eine laminare Strömung (Schichtenströmung) gebunden ist.

Die Homogenisierung und der Durchfluss des Fluides ist im Kanal über die Größe des Elektrodenstromes, die Größe des Spulenstromes und/oder deren Phasenlage zueinander, unabhängig von sonstigen Prozessparametern, variierbar, einstellbar und bei Vorhandensein entsprechender Durchflussmesseinrichtungen auch regelbar.

Ein weiterer Effekt der eingeprägten elektrischen Stromdichte besteht darin, dass das Fluid zusätzlich direkt elektrisch beheizt wird. Die zwangsläufig direkt im Fluid erzeugte Heizleistung P_H entsprechend Gleichung (3)

mit

P_H – Heizleistung und
σ – elektrische Leitfähigkeit des Fluids,

kann einerseits, falls notwendig, verringert werden und die damit verbundene Reduzierung der Lorentzkraftdichte durch eine proportionale Erhöhung der magnetischen Flussdichte ausgeglichen werden (eine Reduzierung der Stromdichte j auf die Hälfte hat eine Verringerung der zusätzlichen Heizleistung auf ¼ zur Folge, um in diesem Fall die gleiche Lorentzkraftverteilung zu gewährleisten, ist aber nur eine Verdopplung der magnetischen Flussdichte notwendig) oder andererseits zum Ausgleich des erhöhten Wärmeverlustes infolge der modifizierten Strömungsverhältnisse genutzt werden. Diese Möglichkeiten sind vor allem für Glasschmelzen vorteilhaft.

Die Anwendung der Erfindung bringt insbesondere Vorteile für Glasschmelztechniken mit einem elektrisch beheizten vertikalen Auslaufkanal und Tauchkolben (Plunger) zur Durchflusssteuerung für die Herstellung von hochschmelzenden, alkaliarmen oder -freien Borosilikatgläsern. Hier ist in der Regel der Plunger als Mittenelektrode nutzbar und das Magnetsystem als Modul an die Anlagen adaptierbar. Weiterhin sind mit der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung neue Gläser, die bei konventionellen Herstellungstechniken zur Phasentrennung oder zur Kristallisation neigen, herstellbar.

Selbstverständlich liegt es auch im Bereich der Erfindung, den Strömungskanal mit den beschriebenen Varianten des Magnet- und Elektrodensystems in jedem Winkel zur Schwerkraft bis zur horizontalen Lage anzuordnen. Die tangentialen Strömungen werden ebenso elektromagnetisch erzeugt. Jedoch ist hierbei zu berücksichtigen, dass sich dann die temperaturgradientenbedingten Auftriebskräfte anders mit den tangential generierten Lorentzkräften überlagern und die daraus resultierende Strömung im Querschnitt des Strömungskanals in bestimmten Bereichen geschwächt bzw. verstärkt wird und sogar Totraumgebiete (Strömungsgeschwindigkeit gleich Null) entstehen können. Letzter Fall kann insbesondere in horizontaler Anordnung bei großen Kanalabmessungen und hohen Temperaturgradienten über den Strömungsquerschnitt und großen Viskositäten des Fluids eintreten.

Die vorgeschlagene Vorrichtung und das dazugehörige Verfahren sind für die Herstellung technischer Gläser, Gläser für Flachbildschirme auf LCD- und Plasmabasis, optischer Gläser, Glasseiden, Behältergläser u.a. geeignet. Zudem lassen sich einige spezielle Gläser überhaupt erst mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung homogen schmelzen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Qualität der herzustellenden Gläser erheblich gesteigert werden kann und dass eine genauere Dosierung des Fluides und damit einhergehend geringere Wandstärketoleranzen der Enderzeugnisse möglich werden.

In 1 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung für eine insbesondere unter der Schwerkraft g → auslaufende Glasschmelze (4) in einem vertikalen, rotationssymmetrischen Kanal dargestellt. Um den fluidführenden Kanal ist konzentrisch das Magnetsystem (1) positioniert. Zwischen der Außenelektrode (3a) des Elektrodensystems (3), die zugleich die Kanalwand darstellt, und dem Magnetsystem (1) befindet sich eine thermische Isolation (2). Bei heißen Fluiden, wie es Glasschmelzen sind, ist es zweckmäßig, die hohen Temperaturen mittels einer thermischen Isolation (2) in Form von im Glasschmelzanlagenbau üblichen Feuerfestmaterialien auf Temperaturen unterhalb der zulässigen Einsatztemperaturen der für die Magnetspulen verwendeten elektrischen Leitermaterialien (Kupfer) abzubauen. Zur Auslegung dieser Wärmeisolation ist der Wärmetransport durch Leitung und Strahlung zu berücksichtigen. Bei kalten Fluiden entfällt diese Notwendigkeit. Somit können die Spulenquerschnitte kleiner gewählt werden. Im günstigsten Fall sind Magnetspulen- und Kanalquerschnitt, abgesehen von dem Platzbedarf für die elektrische Isolierung zwischen Magnetspulen und Außenelektrode, identisch.
In der Mitte des fluidführenden Kanals ist konzentrisch zur Außenelektrode (3a) des Elektrodensystems (3) die Innenelektrode (3b) angeordnet. Die Außen- und Innenelektrode können beispielsweise aus einer Platinlegierung bestehen. Zwischen der Außen- und Innenelektrode bewegt sich das Fluid (Glasschmelze) (4) in Richtung g →.
Das Magnetsystem (1) besteht aus eisenlosen Ringspulen, die hier in Reihe geschaltet sind, so dass ein axiales Magnetfeld B → im Spuleninnern entgegen der Schwerkraft g → entsteht. Die Magnetspulen mit dem Radius r₀ sind im Abstand 2d konzentrisch um den Kanal angeordnet. Die Durchdringung des Fluidvolumens mit dem vom Magnetsystem (1) erzeugten magnetischen Feld ist mit den eingezeichneten magnetischen Feldlinien (5) prinzipiell dargestellt. Die Spulenquerschnitte können kreisförmig oder mehreckig ausgeführt werden.
Die Intensität des magnetischen Feldes im Spulenquerschnitt hängt von der Durchflutung der Magnetspulen w·I und vom mittleren Radius r₀ des Spulenpaares ab. Für die z-Komponente der Induktion auf der z-Achse (= Spulenachse, Richtung entgegen g →) gilt Gleichung (4).
wobei

2d – den Spulenabstand,
μ₀ – die absolute Permeabilität,
r₀ – den Spulenradius,
w – die Spulenwindungszahl und
I – den Spulenstrom

₀

_z

Befinden sich in dem Magnetsystem leitfähige Gebiete, z. B. die Elektroden und das Fluid, wird das Magnetfeld in Abhängigkeit von der Größe der Frequenz des Magnetfeldes und der elektrischen Leitfähigkeit und Permeabilität dieser Gebiete geschwächt. Die Reduzierung infolge Abschirmung wird durch die Eindringtiefe δ des Magnetfeldes charakterisiert. Für die Eindringtiefe gilt Gleichung (5):
wobei

f – die Frequenz des elektromagnetischen Feldes,
μ – die Permeabilität und
σ – die elektrische Leitfähigkeit

Tabelle 1: Eindringtiefe δ von DVS-Platin und einer Glasschmelze in Abhängigkeit von der magnetischen Feldfrequenz f
Beaufschlagt man das Elektrodensystem (3) mit einer Wechselspannung, entsteht in der Glasschmelze eine radiale Stromdichteverteilung. Die Größe der Stromdichte hängt bei fester Elektrodenspannung von dem elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden ab. Dieser wird von der elektrischen Leitfähigkeit der Glasschmelze und der Geometrie des Ringspaltes bestimmt. Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Heizleistung (s. Gl. 3) sind in Glasschmelzen Stromdichten bis 100 mA/mm² möglich. Sind das zeitliche Verhalten von Stromdichte und Magnetfeld synchron, wird im Fluid eine tangentiale Lorentzkraftdichteverteilung erzeugt, die eine tangentiale Strömung erzwingt. Bei j = 100 mA/mm² und B = 40 mT betragen diese Lorentzkraftdichten bis zu 4000 N/m³. Im Vergleich dazu beträgt die Volumenkraft, die infolge der Schwerkraft auf eine auslaufende Glasschmelze wirkt, nur ca. 2300 N/m³.
2 veranschaulicht eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung mit abwechselnd entgegengeschalteten Magnetspulen. Man erkennt die dabei abschnittsweise entgegenwirkenden Teilmagnetfelder (5) bzw. die abschnittsweise abwechselnd in positiver oder negativer tangentialer Richtung wirkenden Lorentzkräfte und Geschwindigkeitskomponenten im Fluid. Daraus resultiert bei sonst gleichen Bedingungen theoretisch der doppelte Geschwindigkeitsgradient – insbesondere vorteilhaft, um in hochviskosen, laminar strömenden Fluiden vorhandene Inhomogenitäten (Schlieren) wirksam aufzulösen.
Um jedoch eine vollständige und nahezu gleichmäßige magnetische Durchdringung des Fluidvolumens zu realisieren, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, nicht einzelne Magnetspulen, sondern Magnetspulengruppen von mindestens 2 Magnetspulen je Gruppe bezüglich der Stromrichtung entgegenzuschalten, so wie es in einem dritten Ausführungsbeispiel in 3 gezeigt wird. Hierbei sind die Magnetspulen in Helmholtzanordnung paarweise entgegengeschaltet. Der Innendurchmesser der Außenelektrode beträgt 40 mm, der Außendurchmesser der Innenelektrode 20 mm. Konzentrisch dazu sind 6 wassergekühlte Magnetspulen mit einer Windungszahl w = 1, einem Mittendurchmesser von 120 mm und einem Mittenstand von 60 mm angeordnet. Der Leiterquerschnitt der Magnetspulen ist hohl und rechteckig ausgeführt (Außenabmessungen: 15 mm × 10 mm). Die Magnetspulen sind in Reihe und paarweise entgegen geschaltet. Sie werden mit einem Strom von 2500 A der Frequenz von 1 kHz durchflossen. Mit dieser Durchflutung entsteht das in 3 gezeigte prinzipielle Feldlinienbild (5).
4 zeigt die numerisch berechnete Verteilung der magnetischen Flussdichte in einer Vorrichtung nach 3 zum Zeitpunkt des Maximums des Spulenstromes Man erkennt, dass das Magnetfeld die Glasschmelze vollständig, ausreichend stark (bis zu 10 mT) und abschnittsweise gleichmäßig durchdringt.
Die berechnete Stromdichteverteilung (vgl. 5) ist radial. Die Stromdichten sind an der Innenelektrode (3b) am größten. Sie betragen hier 20 mA/mm² und an der Außenelektrode (3a) 10 mA/mm². Die Elektrodenspannung beträgt 130 V. Die Heizleistung des Elektrodenstromes in den Elektroden ist vernachlässigbar klein. Ebenso vernachlässigbar sind die Wirbelstromverluste infolge des Magnetfeldes in den Elektroden und in der Schmelze. Die erforderliche Leistung der Magnetspulen beträgt 4 kW.
Die mittleren Lorentzkraftdichten (s. 6) in einer Vorrichtung nach 3 betragen in drei Abschnitten (–640/+480/–640) N/m³. Damit entsteht in den Ringspaltabschnitten eine tangentiale Strömung von (–0,4/+0,3/+0,4) mm/s mit abwechselnder Richtung, welche die Glasschmelze thermisch und chemisch homogenisiert.
Ist der vom Fluid durchflossene Ringspalt am unteren Ende offen, läuft das Fluid spiralförmig aus dem Kanal. Die Steuerung der Auslaufgeschwindigkeit des Fluides erfolgt über die Größe der tangentialen Geschwindigkeitskomponente im unteren Ringspaltabschnitt, die wiederum von der Größe des Elektrodenstromes und/oder des Magnetfeldes abhängt. Um die elektromagnetische Rührwirkung in den oberen Abschnitten nicht zu verändern, ist es zweckmäßig, entweder den unteren Bereich der Außen- und Innenelektrode von dem oberen Bereich zu trennen und elektrisch zu isolieren, so dass die mittlere Auslaufgeschwindigkeit des Fluides über den Elektrodenstrom, der diesem Ringspaltabschnitt zugeführt wird, gesteuert wird. Ebenso kann das untere Magnetspulenpaar von der Stromversorgung des Magnetsystems getrennt und separat versorgt werden, so dass die Steuerung der mittleren Auslaufgeschwindigkeit des Fluides über die Größe der magnetischen Flussdichte in diesem unteren Bereich erfolgt. Um den Steuerbereich der mittleren Auslaufgeschwindigkeit des Fluides zu maximieren, ist es zweckmäßig beide Möglichkeiten zu nutzen, wobei die separate elektrische Versorgung der Elektroden- und Magnetteilsysteme über synchronisierte Stromquellen (Frequenzumrichter) erfolgen kann.
In 7 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Durchflussregelung dargestellt. Zur Regelung der mittleren Auslauflaufgeschwindigkeit des Fluides ist eine Durchflussmesseinrichtung (7) im Strömungskanal vorgesehen. Der mit dieser Durchflussmesseinrichtung gemessene Istwert wird regeltechnisch über eine Stromregelung (10) der synchronisierten Stromquellen (8) und (9) an den vorgegebenen Sollwert angeglichen. Als Durchflussmesser eignen sich je nach Art des Fluids zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, aus dem Stand der Technik bekannte Blenden (kalte hochviskose Fluide), Flügelradanemometer (kalte, niedrig viskose Fluide) oder Lorentzkraftanemometer (heiße Fluide).
Literaturliste

[1] – Sims, R.: Rühren im Glas – ein Technologieüberblick, Proceedings 75. Glastechnische Tagung, S. 117-121, Deutsche Glastechnische Gesellschaft e.V., 2001
[2] – Voss, H.J.: Elektrisch beheizte Glasschmelzöfen – Heutiger Stand vor dem Hintergrund Energie, Umwelt, Flexibilität und Betriebssicherheit. Glass Sci. Technol., 70, 1997, Nr.5, N61-N68
[3] – Osmanis, A. D.; u.a.: Einfluss des Rührens einer Schmelze im elektromagnetischen Feld auf die spektralen und Farbcharakteristika chromhaltiger Gläser. (Orig. Russ.) In: Proceedings 12. Rigaer Symposium zur Magnetohydrodynamik 1987, S. 179–183
[4] – Osmanis, A. D.; u.a.: Intensivierung der Prozesse der Glasschmelze im elektromagnetischen Feld. (Orig. Russ.) In: Nachschlagebuch über wissenschaftliche Arbeiten, Anorganische Gläser, Beschichtungen und Werkstoffe, Riga 1987, S. 123–130

1: Magnetsystem
2: thermische Isolation
3: Elektrodensystem
3a: Außenelektrode
3b: Innenelektrode
4: Fluid (Glasschmelze)
5: magnetische Feldlinien (prinzipieller Verauf)
6: elektromagnetisch initiierter Strömungsverlauf
7: Durchflussmesseinrichtung
8: synchronisierte Stromquelle für das Magnetsystem
9: synchronisierte Stromquelle für das Elektrodensystem
10: Stromregelung
B: magnetische Induktion
B_z: z-Komponente der magnetischen Induktion
2d: Spulenabstand
f: Frequenz des elektromagnetischen Feldes
F →_L: Lorentzkraft
f →_L: Lorentzkraftdichte
g →: Erdbeschleunigung
I: Spulenstrom
j: Stromdichte
P_H: Heizleistung
r₀: Spulenradius
V: Volumenelement
v_t: tangentiale Geschwindigkeitskomponente
w: Spulenwindungszahl
δ: Eindringtiefe
μ: Permeabilität
μ₀: absolute Permeabilität
σ: elektrische Leitfähigkeit

Claims

Vorrichtung zur elektromagnetischen Beeinflussung der Strömung von gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden – vorrangig Glasschmelzen – in vorzugsweise vertikalen Kanälen beliebigen Querschnitts dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Magnetsystem (1) aus mindestens 2 oder einem Vielfachen davon eisenlosen Magnetspulen, die konzentrisch um den Kanal positioniert sind, und ein Elektrodensystem (3), mit einer Außenelektrode (3a), die die Kanalaußenwand bildet und einer Innenelektrode (3b), die in dem Kanal mittig und konzentrisch angeordnet ist, besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal ein Rohr ist, in dem ein zweites Rohr mit kleinerem Durchmesser konzentrisch angeordnet ist und die Rohre als Außen- bzw. Innenelektrode ausgebildet sind und im Ringspalt zwischen diesen Rohren das Fluid strömt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen nach der Helmholtzbedingung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen über einen Teilbereich des Kanals oder über die gesamte Kanalhöhe verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen derart zusammengeschaltet sind, dass die elektrische Stromrichtung in allen Magnetspulen gleich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen derart zusammengeschaltet sind, dass die elektrische Stromrichtung in jeweils benachbarten Magnetspulen entgegengesetzt gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen gruppenweise mit entgegengesetzter Stromrichtung zusammengeschaltet sind, wobei eine Gruppe mindestens 2 Magnetspulen umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen jeweils aus einer Windung bestehen, deren Querschnitt vorzugsweise als flacher rechteckförmiger Hohlleiter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserkühlung für die Windungen der Magnetspulen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensystem (3) aus Platin, Platinlegierungen, Molybdän oder Zinndioxid besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroden- und das Magnetsystem von einer Stromquelle gespeist werden und die Anpassung der Spannungen bzw. Ströme über induktive Übertrager erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroden- und das Magnetsystem von zwei galvanisch getrennten, aber zeitlich synchronisierten Stromquellen gespeist werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal unten verschließbar ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass im Kanal, vorzugsweise am Kanalende, eine Durchflussmesseinrichtung (7) angeordnet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich der Außen- und Innenelektrode von dem oberen Bereich getrennt und elektrisch isoliert ist und elektrisch separat mit einer synchronisierten Stromquelle versorgt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die unteren Spulen von der Stromversorgung der Spulen im oberen Bereich galvanisch getrennt sind und elektrisch separat mit einer synchronisierten Stromquelle versorgt werden.
Verfahren zur elektromagnetischen Beeinflussung der Strömung von gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden – vorrangig Glasschmelzen – in vorzugsweise vertikalen Kanälen beliebigen Querschnitts mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass durch Anlegen einer Wechselspannung an die Außen- und Innenelektrode des Elektrodensystems (3) das Fluid von einer vorrangig radialen Stromdichteverteilung durchsetzt wird und durch Speisung der Magnetspulen des Magnetsystems (1) mit einem hinsichtlich seines zeitlichen Verhaltens dem Elektrodenstrom analogen Spulenstrom ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das den Kanal axial vollständig und gleichmäßig durchdringt, und aus dem Kreuzprodukt aus Stromdichte und Magnetfeld senkrecht zur Fließrichtung des Fluides eine tangentiale Strömung elektromagnetisch erzeugt wird, die in Abhängigkeit von der Phasenlage zwischen Spulen- und Elektrodenstrom in positiver oder negativer Richtung ausgerichtet ist, und das Fluid in Abhängigkeit von der Größe der elektromagnetisch generierten tangentialen Strömungskomponente laminar gerührt und homogenisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz von Elektroden- und Spulenstrom so eingestellt wird, dass eine minimale Elektrodenkorrosion entsteht, aber die magnetische Induktion im Fluid durch die abschirmende Wirkung der Außenelektrode um maximal 50 % der Induktion ohne Abschirmung reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18 dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige magnetische Durchflutung über die Höhe des Spulenstroms eingestellt wird, wobei der Effektivwert der magnetischen Flussdichte auf der Innenelektrode des Kanals mindestens 10 mT beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass abschnittsweise abwechselnd in positiver oder negativer tangentialer Richtung wirkende Strömungskomponenten im Fluid erzeugt werden, so dass bei gleicher Durchflutung und gleichem Elektrodenstrom im Fluid partiell besonders hohe Strömungsgradienten entstehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Größe der tangentialen Strömungskomponente die Homogenisierung des Fluids verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid bei geschlossenem Kanal gerührt und homogenisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch die Wirkung der Schwerkraft bei geöffnetem Kanal spiralförmig ausläuft.
Verfahren nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Größe der tangentialen Strömungskomponente die Verweilzeit des Fluids im Kanal und damit sein Durchfluss verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24 dadurch gekennzeichnet, dass der Rühreffekt und die mittlere Auslaufgeschwindigkeit des Fluids über die Größe der Elektrodenströme, die Größe der Spulenströme und/oder deren Phasenlage zu einander gesteuert und geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25 und einer Vorrichtung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Auslaufgeschwindigkeit des Fluides über die Größe des von der Stromversorgung des oberen Bereiches der Außen- und Innenelektrode getrennten und separat versorgten unteren Bereiches der Außen- und Innenelektrode gesteuert wird, wobei die elektrischen Betriebsparameter des oberen Elektrodensystems und der Spulen konstant gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25 und einer Vorrichtung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Auslaufgeschwindigkeit des Fluides über die Größe des Spulenstromes der von der Stromversorgung der oberen Magnetspulen getrennten und separat versorgten unteren Magnetspulen gesteuert wird, wobei die elektrischen Betriebsparameter des Elektrodensystems und der oberen Magnetspulen konstant gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Auslaufgeschwindigkeit des Fluides sowohl über die Größe der Elektrodenströme als auch über die Größe der Spulenströme im unteren Bereich des Kanals gesteuert wird, wobei die elektrischen Betriebsparameter des oberen Elektrodensystems und der oberen Magnetspulen konstant gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28 dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Auslaufgeschwindigkeit des Fluides mit einer Durchflussmesseinrichtung (6) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29 dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Auslaufgeschwindigkeit des Fluides aus dem offenen Kanal dem nachfolgenden Verarbeitungsprozess online angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 30 dadurch gekennzeichnet, dass die Rühr- bzw. Homogenisierungszeiten durch die Schließzeiten des Kanals bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 31 dadurch gekennzeichnet, dass der aus den modifizierten Strömungsverhältnissen resultierende veränderte Wärmeverlust, durch die Heizwirkung der elektrischen Stromdichte im Fluid ausgeglichen wird.