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Stand der Technik
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Beim
Homogenisieren viskoser Flüssigkeiten werden neben anderen
Rührertypen oft Flügelrührer bzw. Blattrührer
eingesetzt. Sie sind besonders gut imstande, dem sie umgebenden
Material zwischen Rührer und Behälterwand eine
Bewegung aufzuzwingen. Im Schergefälle zwischen dem Rührkörper
mit seinen Rührflügeln einerseits und der Innenwand
des Behälters werden anfangs vorhandene Schlieren im Geschwindigkeitsfeld
auseinandergezogen und so immer dünner gemacht. Dabei werden
die Diffusionswege zwischen der Schliere und dem umgebenden Material
mit der Zielzusammensetzung kürzer, das Konzentrationsgefälle
steiler, und der Ausgleich von Konzentrationsunterschieden zwischen
den Schlieren und dem übrigen Material im Behälter
beschleunigt.
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Auch
erhöhte Temperaturen sind bei steigenden Diffusionskoeffizienten
imstande, den Ausgleich von chemischen Konzentrationsunterschieden
zu beschleunigen.
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Je
langsamer die Axialströmung im Behälter ist, um
so mehr Umrundungen der Rührerachse kann eine Schliere
erleben und um so mehr Zeit ist für den Konzentrationsausgleich
durch Diffusion vorhanden. Oft ist es ausreichend und auch ökonomisch
sinnvoll, die Homogenisierung nur so weit zu treiben, dass die Qualitätsparameter
für das herzustellende Produkt sicher und stabil erfüllt
werden. Jede unnötige Verlängerung der Mischzeit
erhöht die Kosten, besonders wegen der Baugrösse
der Vorrichtung.
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Die
maximale Scherspannung im Ringspalt zwischen Rührer und
Behälterwand wird typisch zwar mittels eines engen Ringspalts
hoch genug gewählt um die gewünschte Rührwirkung
zu erreichen, aber nur so hoch, dass die Korrosion und Erosion des
Rührers noch in vertretbaren Grenzen bleiben und dass kein
mechanisches Reboil auftritt.
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Bei
Schlieren, die eine sehr viel höhere Viskosität
als das umgebende Material haben, wie z. B. ZrO2-Schlieren in Glasschmelzen,
wäre eine besonders hohe Scherspannung und eine lange Zeit
für den Konzentrationsausgleich notwendig. Es ist in der
Regel sinnvoller, diese extremen Schlieren durch einen Bodenablass
kontinuierlich oder diskontinuierlich abzuziehen und nur die übrigen
Schlieren, wie z. B. Al2O3-Schlieren, mit Hilfe des Rührgerätes
weitestgehend aufzulösen oder unschädlich zu machen.
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Die
Anforderungen an die Homogenisierungswirkung können extrem
unterschiedlich sein. In einfachen Fällen sind gelegentlich
oder ständig auftretende schwache Schlieren oder andere
Inhomogenitäten, die nur wenig stören, zu beseitigen.
Eine höhere Homogenisierungswirkung ist notwendig, wenn
fadenähnlichen Schlieren von ungefähr 0,1 mm Durchmesser
unschädlich zu machen sind.
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Noch
höhere Homogenisierungswirkungen und damit Durchmesser
der Rührvorrichtung und axiale Längen der Rührzone
bei gegebenem Durchsatz sind erforderlich, wenn die Durchmesser
von fadenähnlichen Schlieren 0,1 mm (oder bei anderer Geometrie
der Inhomogenität mit entsprechender charakteristischer
Grösse) erheblich überschreiten oder bei grosser
räumlicher Dichte der Schlieren im Volumenstrom.
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"Schlierenfreies
Material" ist kein absoluter Begriff sondern bedeutet wenigstens,
dass keine Schlieren mehr vorhanden sind, die einen Produktmangel
für ein konkretes Produkt mit der für dieses gültigen
Qualitätsvereinbarung bedeuten können.
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Oft
wird "schlierenfreies Material" so interpretiert, dass man bei visueller
Kontrolle keine Schlieren wahrnehmen kann während bei Anwendung
bestimmter Prüfverfahren durchaus noch lokale Abweichungen physikalischer
oder chemischer Eigenschaften nachweisbar sind.
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Zur
Erhöhung der Homogenisierungswirkung wird
- a) bei der Konstruktion die Spaltbreite zwischen den Rührflügeln
und der Behälterwand klein genug gewählt um bei
vorgegebener Drehzahl und Viskosität eine angemessen hohe
Scherspannung im Spalt zu erreichen
oder
- b) bei gegebener Spaltbreite zwischen den Rührflügeln
und der Behälterwand entweder Drehzahl oder Viskosität
oder beide so eingestellt, dass eine angemessen hohe Scherspannung
im Spalt erreicht wird.
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Je
enger der Spalt und je größer die Drehzahl des
Rührers bei gegebener Viskosität ist, um so mehr werden
die Schlieren auseinandergezogen, um so größer
ist die Homogenisierungswirkung.
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Die
Scherspannung darf nicht beliebig erhöht werden. Besonders
wenn das Gasgleichgewicht in der Schmelze leicht gestört
werden kann, besteht die Gefahr mechanischen Reboils, besonders
an Kanten.
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Die
Reboilgefahr ist der angewendeten maximalen Scherspannung proportional
und kann es erforderlich machen, die Drehzahl des Rührers
entsprechend zu begrenzen. Wo die Grenze der noch zulässigen Scherspannung
liegt hängt stark von der Zusammensetzung der Schmelze,
besonders der Gassättigung, der Temperatur und dem Redoxzustand
ab.
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Je
höher die Scherspannung an der Oberfläche der
Rührflügel, um so mehr kann die Korrosion und Erosion
deren Lebensdauer verringern.
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Selbst
eine Platinbeschichtung der Keramik, welche grundsätzlich
die Korrosion drastisch reduziert, kann bei sehr hohen Betriebstemperaturen
durch Erosion infolge der Scherspannung einen Verschleiss zeigen,
der sich in sehr kleinen oder kleinen Platinpartikeln im Produkt
zeigen kann.
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Ebenfalls
ist bei hoher maximaler Scherspannung die Gefahr der "Scherverdünnung"
zu beachten. Dieser Abfall der Viskosität mit nichtnewtonschem
Verhalten tritt oberhalb einer bestimmten, vom Material abhängigen
Scherspannung auf.
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Zur
Festlegung der maximal erlaubten Scherspannung bzw. der maximal
zulässigen Drehzahl für den jeweiligen Einzelfall
sind Betrieberfahrungen mit der konkreten Glaszusammensetzung und
weiteren technologischen Bedingungen notwendig.
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Die
Homogenisierungswirkung kann ebenso gesteigert werden wenn man die
mittlere Aufenthaltszeit des zu homogenisierenden Materials im Wirkungsbereich
des Rührers vergrößert. Das kann durch
eine größere axiale Länge des Rührerbereichs
ebenso wie durch ausreichend grossen Durchmesser des Rührbehälters,
also durch entsprechend grosse radiale Breite des Ringspalts geschehen.
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Bei
Flügelrührern gibt es das Problem, dass das Material,
welches sich radial zwischen Aussenwand des Rührerkörpers
und Aussenkante der Rührflügel befindet, nur unzureichend
der Scherspannung ausgesetzt ist, die zur Homogenisierung notwendig
ist. Das heisst, dass ein bestimmter Prozentsatz der zu homogenisierenden
Masse nahe der Rührerachse den Rührbehälter
fast ohne Homogenisierung durchströmen kann. Dieser Mangel
kann nicht durch ein besonders intensives Mischen im Spalt zwischen
Aussenkante der Rührflügel und der Innenwand des
Behälters ausgeglichen werden. Die Schwachstelle bleibt
der Anteil am Gesamtdurchsatz, der nahe der Wand des Rührerkörpers
ohne entsprechende Homogenisierung die Rührvorrichtung passieren
kann. Je grösser die radiale Breite der Rührflügel
ist, um so höher ist dieser Prozentsatz nicht homogenisierten
Materials am Gesamtdurchsatz.
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Dieses
Problem wurde in
DE 1069345 dadurch
vermieden, dass der Rührer keine Rührflügel
enthält und zylinderähnlich gebaut ist. Diese
Lösung erfordert im Vergleich zu einem Flügelrührer
eine erheblich erhöhte Drehzahl wenn man die gleiche Scherspannung
im Spalt zwischen Rührer und Behälterwand erreichen will.
Die Standzeiten des Rührers und des Antriebs könnten
damit verringert werden. Das Verhältnis von Außendurchmesser
des rein zylindrischen Rührers zum Innendurchmesser des
Rührgefäßes soll >= 0,5 sein, damit nicht ungerührtes
Glas entlang des Rührkörpers die Rührzelle
passieren kann.
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Bei
genügend schneller Rotation eines konzentrisch angeordneten
stabähnlichen Rührers in einem zylindrischen Behälter
kann man besonders bei grossen Innendurchmessern des Behälters
im Falle newtonscher Flüssigkeiten eine Absenkung der Oberfläche
nahe dem Rührer erkennen. Es bildet sich ein parabolisches
Profil der Flüssigkeitsoberfläche aus.
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Mit
steigender Drehzahl wird die Sogwirkung bei nicht achsparalleler
Anordnung der Rührflügel an der Oberfläche
größer und damit steigt die Gefahr, Luft einzuziehen.
Bei einem zylindrischen Rührer ohne Rührflügel
ergibt sich die Scherspannung tau bei konstanter Viskosität
im Spalt zwischen dem Rührerkörper und der Behälterwand
aus tau = eta·dv/drmit
- tau
- Scherspannung in Pa
- eta
- Viskosität
in Pa.s
- dv/dr
- radialer Geschwindigkeitsgradient
zwischen Rührer und Behälterwand
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Die
Tangentialgeschwindigkeit vt an der Rührerwand ergibt sich
aus der Drehzahl und dem Durchmesser des Rührers
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Der
Lösungsweg wie in
DE
1069345 hat den Nachteil, dass durch das Weglassen von
Rührflügeln das "Zerschneiden" von langen Schlierenfäden
nicht mehr möglich ist. Dieses Trennen langer Schlierenfäden
in kürzere Stücke kann jeweils an der Engstelle
zwischen Außenkante der Rührflügel und
der Behälterwand erreicht werden wenn die Scherspannung
an diesen Engstellen lokal erheblich ansteigt. Durch die Aufteilung einer
langen Schliere in kürzere Stücke kann die Homogenisierung
des viskosen Materials unterstützt werden.
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Beim Übergang
von einem Rührer ohne Rührflügel auf
einen Rührer mit Rührflügeln ändert
sich die Verteilung der Scherspannung über dem Umfang des
Rührers im Bereich der Rührflügel erheblich.
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In
erster Näherung ist die Homogenisierungswirkung beim Auseinanderziehen
von Schlieren bei sonst gleichen Bedingungen der angewendeten Scherspannung
proportional. Daher ist eine angemessen hohe Scherspannung anzustreben
wenn man eine starke Homogenisierungswirkung erreichen will.
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In
WO 03/048054 wird eine
optimierte Rührvorrichtung beschrieben. Sie besitzt eine
Anzahl gekrümmter Rührfinger. Die Strömung
verläuft da, wo Rührfinger am Rührerkörper
sitzen, nahe der Behälterwand. Dagegen verläuft
sie in den Bereichen ohne Rührfinger, also axial zwischen
zwei Rührfingern, im viel breiteren Spalt zwischen Rührerkörper
und Behälterwand mit Wechsel zwischen diesen zwei Strömungsformen
jeweils beim Übergang von der Zone mit Rührfinger
oder Rührblatt zu einem axialen Bereich ohne Rührfinger
und umgekehrt.
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Die
maximalen Beträge der tangentialen Geschwindigkeit der
Glasschmelze liegen im Bereich mit Rührfinger weiter aussen,
im axialen Bereich ohne Rührfinger weiter innen. Der Gehalt
an Edelmetall-Einschlüssen im Glasprodukt, z. B. bei Glassubstraten,
wird mit dieser Erfindung stark verringert wenn die Scherspannung
an der Behälterwand und an der Oberfläche des
Platinrührers reduziert wird. Gleichzeitig wird das Produkt
Q·E hoch gehalten, wobei Q die Volumendurchflußrate
und E die Rührereffektivität ist. Es werden 2 Bedingungen
angegeben:
N, T, V, eta, D_wall und D_blade müssen
so gewählt werden, daß erfüllt wird: (N·T·V/eta)0.5 >= 5,0 kg/s 1.und (2·Pl·eta·N·D_blade)/(D_wall – D_blade) <= 3,5 E-3 N/m2 2.
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Der
maximale Betrag der Scherspannung, der erfindungsgemäss
erlaubt ist, soll unter 3,5 E-3 N/m2 liegen
um die Erosion der Platinbeschichtung des Rührers gering
zu halten. Diese Scherspannung ist sehr niedrig und wird die Effektivität
des Rührers stark einschränken.
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In
DE 1496443 wird ein Flügelrührer
beschrieben. Zum Erreichen optimaler Ergebnisse wird die Verrührgeschwindigkeit
so eingestellt, daß die Geschwindigkeit, mit der das Glas
nahe der Gefäßwand nach unten fließt,
gleich der Geschwindigkeit des Glases in der Mitte zwischen Wandung
und Achse ist.
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In
DE 19935686 wird eine Rührvorrichtung
zum Auflösen von Schlieren in einer Glasschmelze angegeben.
Der Rührer ist in einem Gefäß angeordnet,
wobei sich der durchströmte Rührraum nach unten
verjüngt Der konische Rührerkörper ist
mit Rührflügeln besetzt.
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DE 19960212 beschreibt
eine Vorrichtung zum Auflösen von Schlieren in einer Glasschmelze
in Rührtiegeln. Der Rührer mit Rührmedien
ist konzentrisch in einem Gefäß angeordnet, wobei
ein Strombrecher eingesetzt wird und der Einlass in den Tiegel nahe
den Rührmedien angeordnet sein kann.
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In
DD 298767 wird ein Rührer
zur Homogenisierung von Glasschmelzen beschrieben. Dabei werden zwei
exzentrische Rührerarme eingesetzt um die mangelhafte Mischwirkung
nahe dem Zentrum des Rührgefässes zu vermeiden
und die Ausbildung der Mittelschliere zu verhindern.
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In
DE 102004013725 wird
ein System und Verfahren zur Homogenisierung einer anorganischen Schmelze
angegeben. Dabei werden bevorzugt einzelne oder mehrere Rührerpaare
in Kanälen eingesetzt.
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In
EP 0108566 wird ein Apparat
zum Mischen von viskosem Material beschrieben, der mit einem speziellen
Rührerpaar arbeitet, Jeder der einzelnen Rührer
besitzt mehrere an einem Schaft angeordnete Rührflügel,
die sich in ihrer Mischwirkung ergänzen indem der Abstand
der zwei Rührerachsen kleiner ist als die Spannweite der
Rührarme.
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Die
Vorrichtung gemäss Bild 1 als Seitenansicht und Bild 2
mit dem Querschnitt besteht aus einem Behälter (10)
mit Einlauf (6) und Auslauf (7) sowie dem Rührer
(12) mit Rührerkörper (4), rechteckähnlichen Rührflügeln
(1) mit abgerundeten Kanten in mindestens einer Zone, bevorzugt
aber in mehreren Zonen (1), (2), (3)
und gegebenfalls weiteren Zonen (13), (14), je
nach konstruktiver Ausführung, dem Rührerschaft
(8) und dem Anschlussflansch (9) am oberen Ende
des Rührerschafts (8) zum Anschluss an die Antriebsvorrichtung,
die hier nicht dargestellt ist. Die Vorrichtung dient dazu, chemisch
und thermisch homogenes Material für nachfolgende Prozesse
wie z. B. die Formgebung bereitzustellen.
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Über
den Einlauf (6) wird das zu homogenisierende Material der
Rührvorrichtung zugeführt. Es fliesst durch den
Ringspalt (11) zwischen Rührerkörper
(4) und Innenwand (5) des Behälters bis
zum Auslauf (7).
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Die
Scherspannung infolge der Rotation des Rührers (12)
ist im Spalt zwischen den Aussenkanten der Rührflügel
(1), (2) und (3) und der Wand (5)
des Behälters (10) besonders hoch. Im Bereich
jeweils zwischen zwei Rührflügeln nimmt die Scherspannung
von der Behälterwand (5) radial in Richtung Rührerkörper
(4) anfangs langsam und dann innerhalb des von den Rührflügeln
aufgespannten Bereichs schnell ab.
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Der
Anteil der axialen Strömung, der in der Zone zwischen der
Wand des Rührerkörpers (4) und dem durch
die Aussenkanten der Rührflügel (2) definierten
Kreisring fliesst, wird nur unzureichend homogenisiert.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Anteil an unzureichend
homogenisiertem Material an der Gesamtströmung durch die
Vorrichtung, welches die Rührvorrichtung in der Nähe
des Rührerkörpers passieren kann, erheblich zu
senken, bevorzugt auf weniger als 10%, und die Homogenisierungswirkung
insgesamt zu verbessern ohne auf Rührflügel ganz
zu verzichten.
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Im
Ringspalt (17) zwischen dem durch die Aussenkanten der
Rührflügel (1 bzw. 2 bzw. 3)
beschriebenen Kreis und der Innenwand (5) des Behälters
(10) wird es einer Scherspannung infolge der Rotation des Rührers
(12) ausgesetzt. Diese führt zum Verlängern
von Schlierenfäden oder anderen Inhomogenitäten
und macht die Schlieren dünner, wobei deren Oberfläche
vergrössert wird. Die Wege für die Diffusion,
die zum Ausgleich von chemischen Inhomogenitäten notwendig
ist, werden dabei kürzer.
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Ebenso
wie die Vorrichtung chemische Inhomogenitäten verringert
ist sie imstande, auch thermische Inhomogenitäten zu verringern
und unschädlich zu machen.
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Die
druckgetriebene laminare viskose Strömung im Ringspalt
zwischen einem rotierenden inneren Zylinder und einem feststehenden äusseren
Zylinder kann man als die Überlagerung von einer druckgetriebenen axialen
Strömung und einer durch die Rotation des Rührers
(torsionsbedingten) Strömung auffassen, die in der Summe
durch spiralähnlichen Bahnen für Flüssigkeitsteilchen
näherungsweise beschrieben werden kann. Der Druck, der
die Strömung durch die Vorrichtung ermöglicht,
kann aus der hydrostatischen Druckhöhe am Eingang der Vorrichtung
resultieren, wie es für eine vertikale Anordnung der Vorrichtung
typisch wäre. Er kann ebenso durch eine andere Vorrichtung
erzeugt werden, welche einen ausreichenden Druck am Eingang der Rührvorrichtung
bereitstellt. Dann ist auch eine horizontale Lage der Symmetrieachse
der Vorrichtung möglich.
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Damit
die homogenisierende Wirkung der Rührvorrichtung ausreichend
gross ist muss die mittlere axiale Geschwindigkeitskomponente im
Ringspalt (17) klein genug gegenüber der mittleren
Tangentialgeschwindigkeit der Aussenoberfläche des inneren
Zylinders bzw. der Aussenkante der Rührflügel
(1), (2), (3) sein.
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Eine
idealisiert als zylinderförmig betrachtete Schliere, die
im Ringspalt (17) zwischen dem durch die Aussenkanten der
Rührflügel (4) beschriebenen Kreis und
der Innenwand (5) des Behälters infolge der Rotation
des Rühres verlängert wird, wird um so dünner
und länger, je mehr Umdrehungen des Rührers stattfinden, bevor
sie den mit Rührflügeln besetzten Bereich des
Rührers verlassen hat.
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Wenn
man als Beispiel eine Schliere von annähernd Zylinderform
mit 0,1 mm Durchmesser auf ein Zehntel ihres Durchmessers verringern
will, dann ergibt eine einfache geometrische Überlegung,
dass sie dazu um den Faktor 100 verlängert werden muss.
Das ist erreichbar wenn die Schliere im Ringspalt (17)
zwischen Rührflügeln und Behälterwand
entsprechend viele Male die spiralähnliche Bahn im Ringspalt
(17) durchläuft, bevor sie die mit Rührflügeln
besetzte axiale Zone verlassen hat. Dazu muss die Rührerdrehzahl
so hoch sein, dass die mittlere tangentiale Geschwindigkeit im Ringspalt
(17) entsprechend grösser ist als die mittlere axiale
Geschwindigkeitskomponente im Ringspalt (17).
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Bei
N Umdrehungen in der mit Rührflügeln besetzten
Zone im Ringspalt (17) und einem mittleren Radius RR für
die Mitte des Ringspalts zwischen Aussenkante der Rührflügel
und Behälterwand wird in der gerade genannten Vorstellung
ein Schlierenfaden einen Weg WS im Ringspalt (17) von (aufgrund
der Ganghöhe der gedachten Spirale) etwas mehr als WS = N·2·Pl·RRzurücklegen
bevor er die mit Rührflügeln besetzte Zone verlassen
hat.
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Der
Querschnitt des Ringspalts muss dabei hinreichend gross sein um
den geplanten Durchsatz bei angemessen niedriger axialer Geschwindigkeitskomponente
im Ringspalt zu ermöglichen und gleichzeitig muss die Scherspannung
im Ringspalt (1) in den geplanten Grenzen liegen. Zur Berechnung
des erforderlichen Durchmessers der Rührvorrichtung und
des Querschnitts des Ringspalts kann man die Gleichung nach Hagen-Poiseuille
für den Ringspalt anwenden.
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In
der Realität sind die Anforderungen an das Verhältnis
von axialer und tangentialer Geschwindigkeitskomponente weniger
scharf als es die einfache geometrische Überlegung gerade
ergab. Durch die Diffusion wird der Abbau der Schlieren zusätzlich
gefördert, so dass der Faktor 100 des gerade genannten
Beispiels nicht erreicht werden muss und kürzere Wege und
Laufzeiten ausreichen um die vorgegebene Schlierenverdünnung
zu ermöglichen.
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Bei
der Minderung oder Beseitigung von schädlichen Schlieren
in einem viskosen Material kann es bei geringer Schlierendichte
pro Volumen oft ausreichen wenn man dafür sorgt, dass die
axiale Geschwindigkeitskomponente höchstens ein Fünftel
der mittleren tangentialen Geschwindigkeit im Ringspalt zwischen
Rührflügel und Behälterwand beträgt,
bei hohen Anforderungen höchstens ein Fünfzehntel
der mittleren tangentialen Geschwindigkeit im Ringspalt.
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Bei
sehr hohen Anforderungen soll die axiale Geschwindigkeitskomponente
höchstens ein Dreissigstel der mittleren tangentialen Geschwindigkeit
im Ringspalt zwischen Rührflügel und Behälterwand
oder weniger betragen. Das kann insbesondere bei hoher Schlierendichte
pro Volumen oder bei besonders dicken Schlierenfäden notwendig
sein. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer solchen Geometrie,
welche es unter den genannten Bedingungen gestattet, den geplanten
Durchsatz im Ringspalt zu erreichen. Die Festlegung für
den konkreten Einzelfall erfordert die Berücksichtigung
mehrerer technologischer Bedingungen und wird bei vorhandenen Betriebserfahrungen,
wenn sie übertragbar sind, erleichtert.
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Bei
sehr hohen Anforderungen an die Homogenisierungsleistung, wie sie
z. B. bei einem Färbespeiser zu erfüllen sind,
kann es sinnvoll sein, zwei oder mehr derartige Rührvorrichtungen
in Reihe zu schalten, statt eine Vorrichtung mit zu grosser axialer
Länge zu bauen. Dann werden Probleme mit der Unwucht des
Rührers leichter beherrschbar.
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Die
anzustrebende Scherspannung im Ringspalt (17) hängt
von mehreren Faktoren ab. Oft ist ein Richtwert von ca. 1000 Pa
ein brauchbarer Ausgangspunkt für die Planung der Rührvorrichtung.
Dieser Richtwert darf in einzelnen Fällen leicht erhöht
werden wenn man einen verhältnismässig hohen Durchsatz
bei relativ kurzer axialer Länge der mit Rührflügeln
besetzten Zone ermöglichen will, solange die Eigenschaften
des zu homogenisierenden Materials wie die Reboilneigung das zulassen.
Es ist in jedem Falle ratsam, das aufzuwendende Drehmoment abzuschätzen
und, soweit vorhanden, Betriebserfahrungen von ähnlichen
Materialien mit vergleichbarer Reboilgefahr bei der Festlegung der
Obergrenze der Scherspannung zu berücksichtigen.
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Der
Maximalwert der Scherspannung tritt an der Aussenkante der Rührflügel
auf. Eine Abrundung der Kanten hilft, die lokalen Extremwerte zu
begrenzen.
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Die
Obergrenze der Scherspannung bestimmt bei festgelegter Viskosität
und Konstruktion der Vorrichtung die maximal zulässige
Drehzahl des Rührers.
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Bei
Materialien, die infolge Gasübersättigung oder
eines wenig stabilen Gasgleichgewichts oder infolge von Inhomogenitäten
besonders zum mechanischen Reboil neigen, muss dieser Richtwert
der maximalen Scherspannung weit niedriger als 1000 Pa angesetzt
werden. Das ist bei Schmelzen von alkalifreien und anderen Spezialgläsern
oft der Fall. Die Gefahr für mechanisches und thermisches
Reboil infolge Gasübersättigung kann je nach Materialzusammensetzung,
Redoxzustand und Temperatur stark unterschiedlich sein. In diesem
Zusammenhang sind abgerundete Kanten der Rührflügel
besonders wichtig.
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Es
ist bekannt, dass es bei der laminaren viskosen Strömung
durch den Ringspalt zwischen zwei konzentrischen Zylindern nach
Hagen-Poiseuille ein Maximum der axialen Geschwindigkeitskomponente
gibt, welches nicht exakt in der Mitte des Spalts zwischen Behälterwand
und dem durch die Aussenkanten der Rührflügel
beschriebenen Kreis liegt. Diese vom einfachen Ringspalt bekannten
Fakten sind nicht direkt auf den mit Rührflügeln
besetzten Ringspalt übertragbar. Dazu waren Untersuchungen
zur Strömung in dem mit Rührflügeln besetzten
Ringspalt notwendig.
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Während
der Erarbeitung der erfindungsgemässen Lösung
wurde erkannt, dass das Maximum der axialen Geschwindigkeitskomponente
in der Nähe der Aussenkanten der Rührflügel
liegt solange die radiale Breite der Rührflügel
mehr als 50% der Breite des Spalts zwischen Rührerkörper
und Behälterwand einnimmt, wobei die axiale Geschwindigkeitskomponente
Extremwerte nahe den Aussenkanten der Rührflügel
aufweist, die radial von dem durch die Aussenkanten der Rührflügel
definierten Kreisring ein wenig nach innen verschoben sind.
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Es
war zur Lösung der Aufgabe notwendig, herauszufinden, wie
man den Bereich des Ringspalt (11) zwischen Rührerkörper
(4) und Innenwand (5) des Behälters gestalten
muss um einen möglichst hohen Anteil an der gesamten Durchflussmenge
durch ein Gebiet mit ausreichend hoher Scherspannung fliessen zu
lassen.
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Um
genauer zu erfahren wie sich die Scherspannung von der Behälterwand
nach innen bis zum Rührerkörper ändert
wurden Simulationsrechnungen mit Variation der radialen Breite der
Rührflügel (1, 2, 3)
ausgeführt.
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Im
Bild 6 ist die Verteilung der Grösse vm als mittlerer Geschwindigkeit
in der Mitte der Zone der Rührflügel im Querschnitt
der Rührvorrichtung für zwei verschiedene radiale
Breiten der Rührflügel dargestellt. Die Grösse
vm selbst ergibt sich mit kartesischen Koordinaten als Quadratwurzel
aus der Summe der Quadrate von vx und vy vm = (vx 2 + vy 2)½ mit vx bzw.
vy als den Geschwindigkeitskomponenten in
x-Richtung und y-Richtung, also senkrecht zur Symmetrieachse des
Rührers.
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Je
grösser der Abstand der Linien mit gleichen Werten für
vm, um so geringer ist der Geschwindigkeitsgradient und damit die
Scherspannung.
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Die
Grafiken im Bild 6 zeigen an, dass bei kleiner radialer Breite der
Rührflügel (1, 2, 3)
der Bereich mit hoher Scherspannung breit und bei grosser radialer
Breite der Rührflügel der Bereich mit hoher Scherspannung
erheblich schmaler ist.
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Damit
ist ein Weg gegeben, die Breite des Bereichs mit hoher Rührwirkung
erheblich zu vergrössern wenn man die radiale Breite der
Rührflügel (1, 2, 3)
verringert und gleichzeitig die Drehzahl des Rührers (12) so
erhöht, dass wieder die gleiche mittlere Scherspannung
tau gemäss tau = eta·dv/drim
Spalt zwischen den Aussenkanten der Rührflügel
und der Behälterwand erreicht wird. So ist es möglich,
bei radial kürzeren Rührflügeln (1, 2, 3)
in einem grösseren Breite des Ringspalts (11)
zwischen Rührerkörper (12) und Behälterwand
(5) die gleiche mittlere Scherviskosität zu erreichen
und gleichzeitig den Prozentsatz an wenig oder nicht homogenisiertem
Material am Gesamtdurchfluss durch die Rührvorrichtung
deutlich zu senken.
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Um
den Anteil an unzureichend homogenisiertem Material, welches die
Rührvorrichtung in der Nähe des Rührerkörpers
passieren kann, noch weiter zu senken, wird der Strömungswiderstand
für den Teil der Strömung nahe dem Rührerkörper
(4) vergrößert indem mehrere Zonen von
Rührflügeln (1, 2, 3)
am Rührerkörper (4) vorhanden sind und
gleichzeitig die Rührflügel benachbarter Zonen
sich axial überlappen wie in den Bildern 1, 2 und 3 zu
sehen. Dabei ändert sich die Lage der Rührflügel
(1, 2, 3) auf dem Umfang des Rührerkörpers (4)
von einer Zone zur nächsten derart, dass diese nicht in
axialer Richtung genau übereinander stehen sondern gegenüber
der vorigen Zone um einen bestimmten Winkel versetzt sind und durch
die erzwungene zusätzliche Bewegung des strömenden
Materials dessen Homogenisierung verbessern.
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Die
gleichzeitig auftretende Erhöhung des Strömungswiderstand
für den Teil der Strömung nahe dem Rührerkörper
(4) ist um so stärker, je mehr sich die Zonen
der Rührflügel (1, 2, 3)
axial überlappen.
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Im
Bild 1 überschneiden sich die Rührflügel
(1) der oberen Zone axial mit den Rührflügeln
(2) der zweiten Zone.
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Die
Rührflügel (2) der zweiten Zone überschneiden
sich axial mit den Rührflügeln (3) der
dritten Zone. Dies kann sich bei weiteren Zonen, soweit solche in
der konkreten Ausführung der Vorrichtung vorgesehen sind,
fortsetzen.
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Als
Nebeneffekt wird durch die erzwungene Umlenkung der Strömung
bei von Zone zu Zone am Umfang des Rührerkörpers
(4) versetzten Rührflügeln (1, 2, 3),
wie in den Bildern 1 bis 4 zu sehen, noch ein Beitrag zur Durchmischung
geleistet.
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Zusätzlich
wird der Strömungswiderstand für den Teil der
Strömung nahe dem Rührerkörper (4)
erfindungsgemäss vergrößert indem sich
die Anzahl der Rührflügel am Rührerkörper
(4) von einer Zone zur nächsten Zonen am Rührerkörper
(4) ändert wie im Bild 4 zu sehen, einer möglichen
Ausführung der Vorrichtung. Im Beispiel gemäss
Bild 4 wird der Strömungswiderstand für den Teil
der Strömung nahe dem Rührerkörper (4) vergrößert
indem
- – die vier Rührflügel
der zweiten Zone gegenüber der ersten Zone um 45 Grad versetzt
sind und sich axial mit den Rührflügeln der ersten
Zone überlappen,
- – ein Übergang von der zweiten Zone mit vier
Rührflügeln auf die sechs Rührflügel
der dritten Zone erfolgt,
- – ein Übergang von der dritten Zone mit sechs
Rührflügeln auf die vier Rührflügel
der vierten Zone erfolgt,
- – ein Übergang von der vierten Zone mit vier
Rührflügeln auf die acht Rührflügel
der fünften Zone erfolgt.
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Die
hier beschriebenen speziellen Ausführungen der Vorrichtung
stellen beispielhaft einige der zahlreicheren denkbaren Varianten
der möglichen Gestaltung der Vorrichtung dar und stellen
keine Einschränkung der möglichen Ausführungen
der hier beschriebenen technischen Lösung der erfindungsgemäßen
Aufgabe dar. So lässt auch die Ausführung gemäss
Bild 4 weitere Abwandlungen zu, bei denen, nur um ein Beispiel zu nennen,
noch mehr von der axialen Überlappung der Rührflügel
in benachbarten Zonen Gebrauch gemacht werden kann, um den Strömungswiderstand
für den Teil der Strömung nahe dem Rührerkörper
weiter zu vergrößern.
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Die
durchgeführten Untersuchungen haben auch ergeben, dass
sich bei Erhöhung der Drehzahl des Rührers bei
sonst gleichen Bedingungen die Form der Verteilung der Geschwindigkeitskomponenten
nicht ändert. Bis auf einen Maßstabsfaktor sind
die Geschwindigkeitsverteilungen, welche die für die Homogenisierungswirkung
entscheidende Scherspannungsverteilung bestimmen, gleich.
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Die
Anpassung der Rührerdrehzahl im Hinblick auf eine Änderung
des freien Spalts (17) zwischen Rührflügel
(1, 2, 3) und Behälterwand (5)
zur Einhaltung der geplanten maximalen Scherspannung ist Bedingung
für die erfolgreiche Anwendung der erarbeiteten Lösung.
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In
einer anderen Ausführung, wie im Bild 5 dargestellt, kann
die Rührvorrichtung sowohl im Rührerkörper
(4) als auch an der Innenwand (5) des Behälters
(10) einen von oben nach unten abnehmenden Durchmesser
haben. Dieser konische Verlauf der Aussenkontur des Rührerkörpers
(12) und der Innenwand (5) des Behälters
(10) müssen im Bereich der Konizität
parallel und konzentrisch verlaufen. Damit ist eine Möglichkeit zur Änderung
der Spaltbreite zwischen Rührerkörper (4)
und Behälterwand (5) gegeben. Sie kann nützlich
sein um
- a) den Durchsatz über die
radiale Breite des freien Spalts (17) zwischen Rührflügeln
(1, 2, 3) und Behälter zu beeinflussen,
- b) sich an unterschiedliche Viskositäten des zu homogenisierenden
Materials besser anzupassen und
- c) Änderungen der Rührerdrehzahl teilweise
zu vermeiden
bei Einhaltung der angestrebten maximalen
Scherspannung im Rührbereich.
-
Der
Durchfluss in der Zone (17), die radial zwischen der Behälterwand
(5) und der Aussenkante der Rührflügel
(1, 2, 3) wie eine Zylinderschale liegt,
ist aus geometrischen Gründen grösser als der
Durchfluss in der Zone zwischen der Oberfläche des Rührerkörpers
(4) und dem durch die Aussenkante der Rührflügel
(1, 2, 3) beschriebenen Kreis. Damit
kann man bei geeigneter Dimensionierung mit dieser Vorrichtung erreichen, dass
mehr als 90% der Durchflussmenge, je nach Dimensionierung, die Zone
mit erhöhter Scherspannung passieren müssen und
so an der Homogenisierung teilnehmen.
-
Der
Anteil der achsnahen Strömung nahe der Wand des Rührerkörpers
(4), die nur wenig oder nicht der für die Homogenisierung
entscheidenden Scherspannung ausgesetzt ist, an der Gesamtströmung
wird durch die Bauweise der Rührvorrichtung signifikant
verringert.
-
Dazu
muss
- – die radiale Breite der Rührflügel
(1, 2, 3) zwischen 10% und 60% der radialen
Breite des Spalts (11) zwischen dem Rührerkörper
(4) und der Innenwand (5) des Behälters
(10),
- – bevorzugt zwischen 10% und 50% der radialen Breite
des Spalts (11) zwischen dem Rührerkörper
(4) und der Innenwand (5) des Behälters
(10),
- – noch bevorzugter zwischen 10% und 35% der radialen
Breite des Spalts (11) zwischen dem Rührerkörper und
der Innenwand (5) des Behälters betragen.
-
Bild
7 zeigt Beispiele für die Abhängigkeit des Anteils
der Strömung im Bereich zwischen dem Rührerkörper
(4) und dem durch die Aussenkanten der Rührflügel
(1, 2, 3) beschriebenen Kreis, welcher
unzureichend homogenisiert wird, an der Gesamtströmung
durch die Vorrichtung für verschiedene relative Breiten
der Rührflügel (1, 2, 3).
Die relativen Breiten der Rührflügel (1, 2, 3)
wurden bezogen auf die radiale Breite des Ringspalts (11)
zwischen Rührerkörper (4) und Behälterwand
(5) und sind in Prozent angegeben.
-
Der
Anteils der Strömung durch die Vorrichtung, welcher schlecht
homogenisiert wird, an der Gesamtströmung, sinkt wie angestrebt
ab, wenn
- a) die radiale Breite der Rührflügel
(1, 2, 3) verringert wird und
- b) die Zahl der Rührflügel (1, 2, 3)
je Zone erhöht wird
-
Bei
z. B. 4 Rührflügeln je Zone und Variation der
relativen radialen Breite der Rührflügel, bezogen
auf die Breite des Gesamtspalts (
11) zwischen Rührerkörper
(
4) und Behälterwand (
5) von ändert
sich der Anteil der nicht gründlich homogenisierten Strömung
im Bereich der Rührflügel (
1,
2,
3)
nahe am Rührerkörper (
4) stark, wie die
folgende Tabelle zeigt:
| relative
radiale Breite der Rührflügel, bezogen auf die
Breite des Gesamtspalts | 40% | 30% | 20% |
| Anteil
der nicht gründlich homogenisierten Strömung im
Bereich der Rührflügel nahe am Rührerkörper
(4) | 40% | 20% | 6% |
-
Die
Untersuchungen haben überraschend auch zu der Erkenntnis
geführt, dass, je grösser der Radius des Rührerkörpers
ist, um so geringer die radiale Breite der Rührflügel
sein darf wenn man eine optimale Homogenisierungswirkung der Vorrichtung
erreichen will. Der Durchmesser des Rührerkörpers
(4) soll nach den gewonnenen Erkenntnissen mindestens 25%,
bevorzugt mindestens 35% des Innendurchmessers des Behälters
betragen.
-
Parallel
zur Verbreiterung des Ringspalts (17) zwischen Rührflügeln
(1, 2, 3) und Behälterwand (5) kann
der Anteil der achsnahen Strömung nahe der Wand des Rührerkörpers
(4), die nur wenig oder nicht der für die Homogenisierung
entscheidenden Scherspannung ausgesetzt ist, an der Gesamtströmung
signifikant verringert werden indem
- – die
axiale Überlappung der Rührflügel benachbarter
Zonen angewendet wird,.
- – die Zahl der Rührflügel von Zone
zu Zone geändert wird und
- – bevorzugt mindestens 4 Rührflügel
je Zone oder mehr vorhanden sind
- – in mindestens einer Zone 6 oder noch mehr Rührflügel
vorhanden sind.
-
Im
Rahmen der Untersuchungen zur Optimierung der Rührvorrichtung
wurde gefunden, dass die Wirksamkeit der Rührvorrichtung
unter Einbeziehung des Durchsatzes durch eine Rührvorrichtungskennzahl
RK beschrieben werden kann um Vergleiche verschiedener denkbarer
konstruktiver Lösungen zu erleichtern. Die Rührvorrichtungskennzahl
RK wird definiert durch das Produkt aus
- – mittlerer
Scherspannung tau, der das zu mischende Material im freien Ringspalt
(17) durchschnittlich ausgesetzt wird
- – mittlerer Aufenthaltszeit T im Bereich zwischen Rührflügeln
(1, 2, 3) und Behälterwand (5)
und
- – Durchflussrate VP für diesen Bereich
unter
der Voraussetzung, dass der Prozentsatz an der Gesamtströmung,
der nahe dem Rührerkörper (4) zwischen
den Rührflügeln (1, 2, 3)
die Vorrichtung passiert und unzureichend homogenisiert wird, klein
ist, typisch unter 10% liegt.
-
Beim
Vergleich verschiedener Konstruktionsvarianten von Rührvorrichtungen
ist zu berücksichtigen, für welchen Durchsatz
kontinuierlich eine Homogenisierungswirkung einer bestimmten Stärke
erreichbar ist. Im Bild 8 ist für einige Beispiele die
Abhängigkeit der Rührvorrichtungskennzahl RK von
der radialen Breite der Rührflügel (1, 2, 3)
dargestellt.
-
Die
Masseinheit von RK = tau·T·VP ist Newton·Meter
und hat die Dimension einer Energie, die mit der für das
Rühren viskosen Materials eingesetzten mechanischen Energie
in Zusammenhang steht.
-
Die
Effektivität der Rührvorrichtung sinkt mit steigender
radialer Breite der Rührflügel (1, 2, 3).
Sie steigt mit wachsendem Verhältnis von Breite des freien
Ringspalts (17) zwischen der Außenkante der Rührflügel
(1, 2, 3) und der Behälterwand
(5) bezogen auf den Abstand zwischen Rührerkörper
(4) und Behälterwand (5).
-
Die
Stärke der Rührwirkung ohne Berücksichtigung
des Durchsatzes lässt sich durch eine zweite Kennzahl,
das Produkt RK2 aus
- – mittlerer Scherspannung
tau und
- – mittlerer Aufenthaltszeit T im Bereich zwischen Rührflügeln
und Behälterwand beschreiben mit RK2
= tau·T
-
Die
Geometrie des Spalts (17) zwischen der Aussenkante der
Rührflügel (1, 2, 3)
und der Behälterwand (5), und die Drehzahl des
Rührers (12) werden so gewählt, dass
bei vorgegebener Durchflussrate durch den Ringspalt (17)
zwischen Rührflügeln (1, 2, 3)
und der Behälterwand (5) und bei vorgegebener
Viskosität des zu homogenisierenden Materials eine möglichst
hohe Rührvorrichtungskennzahl RK je axialer Zone mit RK = tau·T·VP, tau = eta·dv/dr T
= L_RF/v_axialerreicht wird, welche eine hohe Homogensierungswirkung
sichert, wobei bedeuten
- tau
- Scherspannung im Spalt
zwischen der Aussenkante der Rührflügel (1, 2, 3)
und der Behälterwand (5) in Pa
- eta
- mittlere Viskosität
des zu homogenisierenden Materials in Pa·s
- T
- mittlere Aufenthaltszeit
des des zu homogenisierenden Materials im Spalt (17) zwischen
der Aussenkante der Rührflügel (1, 2, 3)
und der Behälterwand (5) in Sekunden
- L_RF
- axiale Länge
des mit Rührflügeln besetzten Bereichs des Rührerkörpers
(4)
- v_axial
- mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit
im Ringspalt (17) ergibt sich als Quotient aus Durchflussrate
VP durch den Ringspalt (17), geteilt durch den Querschnitt
des freien Ringspalts (17) zwischen Rührflügelaussenkante
und Behälterwand (5).
- VP
- Durchflussrate durch
den Ringspalt (17) in m^3/s
-
Die
Geometrie des Spalts (17) zwischen der Aussenkante der
Rührflügel (1, 2, 3)
und der Behälterwand (5), die durch den Durchmesser
des Behälters (10), den Durchmesser des Rührerkörpers
(4) und die radiale Breite der Rührflügel
(1, 2, 3) bestimmt wird, und die Drehzahl
des Rührers (12) müssen so gewählt werden,
dass
die mittlere axiale Geschwindigkeit, mit der das zu homogenisierende
Material im Spalt (17) zwischen Rührflügeln
(1, 2, 3) und der Behälterwand
(5) in Richtung Ausgang (7) fließt,
bei
mässiger angestrebter Homogenisierungswirkung mindestens
um den Faktor fünf, bei mittlerer angestrebter Homogenisierungswirkung
um mindestens den Faktor fünfzehn, bei hoher angestrebter
Homogenisierungswirkung um mindestens den Faktor dreissig kleiner
ist als die Hälfte der maximalen tangentialen Geschwindigkeit
der Rührflügel (1, 2, 3)
an ihrer Aussenkante.
-
Mit
Hilfe der Rührvorrichtungskennzahl RK wird die Planung
und Optimierung einer bedarfsgerechten Rührvorrichtung
entsprechend der konkreten Anforderungen unterstützt und
der Vergleich verschiedener denkbarer konstruktiver Varianten erleichtert.
-
Unter
Nutzung der Rührvorrichtungskennzahl RK ist eine Senkung
der Baugrösse der Vorrichtung mit entsprechender Senkung
der Kosten für die Herstellung der Vorrichtung möglich.
Daraus kann bei Einsatz von Edelmetallen für die Vorrichtung
eine Einsparung von Edelmetall infolge optimierter Geometrie des
Ringspalts (17) mit Senkung der Spaltbreite (11)
zwischen Rührerkörper (4) und Behälterwand
(5) bei Erreichung der vorgegebenen Homogenisierungswirkung
resultieren wenn diese Kennzahlen zur Prüfung verschiedener
denkbarer konstruktiver Varianten angewendet wird. Dabei kann die
kleinstmögliche Baugrösse der Vorrichtung ermittelt
werden welche die vorher definierten Forderungen erfüllt.
-
Unter
Anwendung der Rührvorrichtungskennzahl RK ist als Optimierung
mit einem anderen Ziel eine Minderung der Erosion von Edelmetall
durch Senkung oder Begrenzung der maximalen Scherspannung an den
Kanten der Rührflügel (1, 2, 3)
und an der Behälterwand (5) erreichbar, so dass
eine Verlängerung der Standzeit ermöglicht wird.
Dazu ist eine maximale Scherspannung an den Kanten der Rührflügel
von weniger als 1000 Pa als Startwert für die Untersuchungen
geeignet, bei besonders hohen Betriebstemperaturen eine maximale
Scherspannung noch unter 500 Pa. Der tatsächlich anzustrebende
Wert ergibt sich aus Versuchen oder aus bestehenden Erfahrungen
bei vergleichbaren Betriebsbedingungen.
-
In
einer weiteren möglichen Ausführung, wie im Bild
9 dargestellt, weist die Rührvorrichtung in der ersten
Zone ab Einlauf Rührflügel auf, die eine gegenüber
den nächsten Zonen erhöhte radiale Breite der
Rührflügel (1) besitzen um in dieser
ersten Zone jeweils an der Engstelle zwischen Außenkante
der Rührflügel (1) und der Behälterwand
(5) das Auftrennen langer Schlierenfäden in kurze
Stücke wie ein "Zerhacken" zur Beschleunigung der Homogenisierung
des viskosen Materials zu ermöglichen.
-
Die
Wirkung der erfindungsgemässen Vorrichtung beruht besonders
auf zwei Faktoren:
- a) Der Anteil nicht homogenisierten
Materials am gesamten Volumenstrom wird gesenkt
- b) Der homogenisierende Bereich der Vorrichtung wird optimiert
mittels der hier definierten Kennzahlen durch
– Einstellung
der notwendigen und gleichzeitig für das betreffende Material
noch erlaubten maximalen Scherspannung im Ringspalt mit Hilfe der
Drehzahl nach dem Durchsatz angemessener Dimensionierung des Ringspalts
(17)
– Gewährleistung des erfindungsgemässen
Verhältnisses von tangentialer und axialer Geschwindigkeitskomponente
je nach Anforderung an die Homogenisierungswirkung
– Wahl
einer konstruktiven Variante der Vorrichtung, für welche
die Rührvorrichtungskennzahl RK möglichst gross
ist.
-
Die
Dimensionierung der Vorrichtung erfolgt so, dass im ersten Schritt
entsprechend der Vorgabe von
- – Viskosität
und Durchflussmenge pro Zeiteinheit und
- – axialer Länge des Bereichs mit Rührflügeln,
die auf Basis der Erfahrung oder separater Überlegungen
als Startwert für die Dimensionierung zu wählen
ist,
der Durchmesser des Rührbehälters, des
Rührerkörpers (4) und die radiale Breite
der Rührflügel (1, 2, 3) nach
den Regeln der Strömungsmechanik wie u. a. dem Gesetz von
Hagen-Poiseuille für den Ringspalt geeignet festzulegen
sind. Für die Viskosität ist aus verfahrenstechnischen
Gründen oft nur eine geringe Variation zulässig.
-
Wenn
für das zu homogenisierende Material die erlaubte maximale
Scherspannung relativ niedrig ist, dann muss für einen
gegebenen Durchsatz die Rührvorrichtungskennzahl RK durch
Erhöhung von mindestens einem der Einflussfaktoren
- – axiale Länge des Bereichs
mit Rührflügeln
- – Breite des Ringspalts zwischen der Aussenkante der
Rührflügel und der Behälterwand auf die
erforderliche Grösse gebracht werden.
-
Nach
vorläufiger Festlegung der Geometrie der konkreten Ausführung
der Vorrichtung wird im zweiten Schritt die Homogenisierungswirkung
entsprechend der bestehenden Anforderungen geplant. Diese Anforderungen
ergeben sich aus der Häufigkeit der Schlieren, ihrer Art,
Verteilung und Grösse sowie aus der geforderten Produktqualität.
Letztere ist besonders hoch wenn optische Qualität ohne
visuell erkennbare Schlieren im geplanten Erzeugnis erreicht werden
muss.
-
Je
länger die mittlere Aufenthaltszeit des zu homogenisierenden
Materials im Bereich mit hoher Scherspannung ist, je weniger Material
nahe dem Rührerkörper ohne gründliche
Homogenisierung die Rührvorrichtung passieren kann, je
höher die Drehzahl bzw. mittlere Scherspannung im Spalt
zwischen Rührflügeln und Behälterwand
ist, um so besser ist die Homogenisierungswirkung der Vorrichtung.
Bei der Planung der Homogenisierungswirkung der Vorrichtung sind
auch die sich aus der gewählten Konstruktion sich ergebenden
Kosten für Bau und Betrieb zu berücksichtigen.
-
Die
Homogenisierungswirkung und Rührvorrichtungskennzahl RK
der Vorrichtung steigt hauptsächlich mit
- – der
axialen Länge des Bereichs mit Rührflügeln
- – der Drehzahl des Rührers
- – der axialen wie radialen Grösse des Ringspalts
(17) zwischen Rührflügeln (1, 2, 3)
und Behälterwand (5), solange die geplante mittlere
Scherspannung im Ringspalt (17) eingehalten wird
- – der axialen Überlappung der Rührflügel
(1, 2, 3 und gegebenenfalls weitere)
der einzelnen Zonen
-
Im
dritten Schritt ist nach Festlegung der Geometrie der Rührzone
mit
Zahl und Maße der Zonen mit Rührflügeln
auf dem Rührerkörper (4)
axialer Überlappung
der Rührflügel der einzelnen Zonen
Zahl der
Rührflügel (1, 2, 3 und
gegebenenfalls weitere für die einzelnen Zonen nochmals
nach den Regeln der Strömungsmechanik zu prüfen
ob die geplante Durchflussmenge pro Zeiteinheit erreicht wird und
ob die mechanische Festigkeit des gesamten Rührers unter
Betriebsbedingungen gewährleistet ist.
-
Die
Vorrichtung kann grundsätzlich so gebaut werden dass sie
in vertikaler wie auch in horizontaler Richtung ihre Symmetrieachse
haben kann, sogar davon abweichende Orientierungen der Lage der
Symmetrieachse sind nicht ausgeschlossen.
-
In
der Mehrzahl der Einsatzfälle wird im Hinblick auf die
mechanische Stabilität und die Formstabilität des
Rührers unter erhöhten Einsatztemperaturen, besonders,
wenn diese 1000°C überschreiten, eine vertikale Orientierung
der Symmetrieachse bevorzugt werden. Die in den Bildern 1 bis 5
und 9 dargestellten Konstruktionen bzw. Details zum erfindungsgemässen
Rührer bzw. der Rührvorrichtung stellen typische
Formen möglicher Ausführungen dar, ohne die Vielfalt
noch möglicher Ausführungsformen zu begrenzen. Liste der Bezeichner
| Nr. | Bezeichnung |
| 1 | Rührflügel
der 1. Zone |
| 2 | Rührflügel
der 2. Zone |
| 3 | Rührflügel
der 3. Zone |
| 4 | Rührerkörper |
| 5 | Innenwand
des Behälters |
| 6 | Einlauf |
| 7 | Auslauf |
| 8 | Rührerschaft |
| 9 | Anschlussflansch |
| 10 | Behälter
der Rührvorrichtung |
| 11 | Ringspalt
zwischen Rührer und Behälterwand |
| 12 | Rührer
als gesamtes Bauteil |
| 13 | Rührflügel
der 4. Zone, soweit vorhanden |
| 14 | Rührflügel
der 5. Zone, soweit vorhanden |
| 15 | Breite
der Zone mit hoher Scherspannung bei Rührflügeln
mit grosser radialer Breite in Bild 6 |
| 16 | Breite
der Zone mit hoher Scherspannung bei Rührflügeln
mit kleinerer radialer Breite in Bild 6 |
| 17 | Ringspalt
zwischen Aussenkante der Rührflügel und Behälterwand |
-
Liste der Zeichnungen
-
Bild
1 Gesamtansicht der Rührvorrichtung
-
Bild
2 Draufsicht auf die Rührflügel der 1. und 2.
Zone
-
Bild
3 Rührerkörper mit von Zone zu Zone versetzten
Rührflügeln
-
Bild
4 Rührerkörper mit von Zone zu Zone versetzten
Rührflügeln
-
Bild
5 Rührvorrichtung in konischer Bauform
-
Bild
6 Vergleich der Breite der Zone mit hoher Scherspannung für
den Fall
- A) grösserer radialer Breite
der Rührflügel
- B) kleinerer radialer Breite der Rührflügel
-
Bild
7 Anteil der axialen Strömung im Bereich der Rührflügel
an der gesamten axialen Strömung
-
Bild
8 Abhängigkeit der Rührzellenkennzahl RK von der
radialen Breite der Rührflügel
-
Bild
9 Rührvorrichtung mit in der ersten Zone breiteren Rührflügeln
entsprechend Anspruch 6
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 1069345 [0020, 0024]
- - WO 03/048054 [0027]
- - DE 1496443 [0030]
- - DE 19935686 [0031]
- - DE 19960212 [0032]
- - DD 298767 [0033]
- - DE 102004013725 [0034]
- - EP 0108566 [0035]