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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur prozessbegleitenden Erfassung der Pumpbarkeit und der rheologischen Eigenschaften von Fluiden in einem Rohrsegment und eine Anordnung zur Verwendung als Rohr-Rheometer. Das Rohr-Rheometer ist ein innovatives Messinstrument, das eine Bewertung der rheologischen Eigenschaften von Fluiden, also Flüssigkeiten, Gasen oder Suspensionen, während des Bewegungsflusses im Inneren von Rohrleitungen durch die Überwachung der auf die Rohrwand wirkenden Kräfte ermöglicht.
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Stand der Technik
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Heutzutage gibt es eine Reihe von verschiedenen Messeinrichtungen, die das Messen der Fließeigenschaften von Flüssigkeiten ermöglichen. Am weitesten verbreitet sind Einrichtungen die auf Grundlage des so genannten Rotationssystems arbeiten. Bei diesem System befindet sich die Flüssigkeit zwischen zwei Oberflächen, die relativ zueinander rotieren. Die Rotationsgeschwindigkeit einer der Oberflächen kann dabei variiert werden. Die zweite Oberfläche dient zur Messung von Veränderungen der Kraft, die durch die Flüssigkeit bei einer Differenz der Rotationsgeschwindigkeit von der ersten Oberfläche übertragen wird. Mit Hilfe dieser Geräte ist eine exakte Bestimmung der rheologischen Kennwerte des Fluids möglich. Direkte Folgerungen auf die Pumpbarkeit des Materials lassen sich daraus jedoch nicht ableiten. Zudem sind diese Vorrichtungen für Einzelmessungen an repräsentativen Probemengen vorgesehen und nicht für eine fortlaufende und prozessbegleitende Anwendung geeignet.
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In den letzten Jahren wurde ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften und der Bestimmung der Pumpbarkeit namens Sliper (Sliding Pipe Rheometer) entwickelt, das für Frischbeton verwendet wird. Angemeldet unter
DE 10 2008 059 534 A1 kann mit dem Rheometer das Fließverhalten von Dickstoffen, insbesondere von Beton so bestimmt werden, dass sich der in einem Rohrleitungssystem benötigte Förderdruck gut abschätzen lässt. Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Druckänderung in Bewegungsrichtung des Fluids bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Messeinrichtung besteht aus einem beweglichen Rohr und einem runden Stempel, in welchem ein Drucksensor montiert ist. Das Rohr kann sich nur entlang einer vertikalen Achse bewegen (nach oben und unten). In der oberen Position wird das Rohr mit frischem Beton gefüllt und anschließend mit Zusatzgewichten versehen, die benötigt werden, um das Rohr unter der Einwirkung der Schwerkraft in eine Abwärtsbewegung zu bringen. Darüber hinaus können Anzahl und Masse der Zusatzgewichte variiert werden. Diese Untersuchungsmethode führt zu guten Ergebnissen, kann aber nicht als kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden und ist nur schwierig zu automatisieren. Zudem muss sichergestellt werden, dass die zur Untersuchung verwendete Materialprobe repräsentative für das gesamte Flüssigkeitsvolumen ist. Im Falle einer Flüssigkeit mit komplexen rheologischen Eigenschaften führt diese Forderung oftmals zu sehr umfassenden und komplexen Probeentnahmeverfahren.
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Beschreibung
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Aus dem Stand der Technik ist der Bedarf für Rohr-Rheometer abzuleiten, mit dem eine qualitative Kontrolle der rheologischen Eigenschaften von Fluiden In-Situ während seiner Bewegung im Inneren des Rohres möglich wird.
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Der wesentliche Vorteil dieses Messinstruments ist die Möglichkeit der nicht invasiven, kontinuierlichen und automatischen Kontrolle der rheologischen Eigenschaften von Fluiden im Förderprozess. Dies ermöglicht eine zuverlässige Überwachung prozess- und zeitabhängiger Materialänderungen des Transportmediums, um frühzeitig gezielt in den Produktions- und Transportprozess eingreifen zu können.
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Mit der beschriebenen Anordnung, einsetzbar als Rohr-Rheometer in einem Rohrsegment, wird die Aufgabe verfahrenstechnisch dadurch gelöst, dass die Wechselwirkung zwischen dem sich bewegenden Fluid und den Wänden des Messzylinders erfasst und ausgewertet wird. Das sich bewegende Fluid verursacht eine Krafteinwirkung auf den Messzylinder in Bewegungsrichtung. Die Kraft, mit der das Fluid auf die Fläche des Messzylinders in der Richtung der Fluidströmung wirkt, wird messtechnisch erfasst. In Kombination mit der Durchflussmenge lassen sich Rückschlüsse auf die Pumpbarkeit und die rheologischen Kenngrößen des Fluids ableiten. Der Quotient aus Kraft F und der Grenzfläche A wird als Schubspannung τ definiert.
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Der Messzylinder der Anordnung kann aus dem gleichen Material hergestellt werden, wie das Rohrsegment, in dem das Fluid strömt, damit das Pumpverhalten möglichst realistisch abgebildet wird. Es entsteht keinerlei materialtechnische Beeinträchtigung bei der Erfassung. Auf diese Weise wird zum einen eine nicht invasive Arbeitsweise der Messmethode erreicht und zum anderen eine kontinuierliche Messung ermöglicht. Der Messzylinder kann auch gezielt mit einem anderen Material oder einer Oberflächenstrukturierung ausgestattet sein, um verbesserte Wandhaftungseffekte zu erreichen. Dadurch können zuverlässigere Messwerte für die Beurteilung der rheologischen Kennwerte ermittelt werden. Ein Schema der Anordnung des Rohrsegments ist in 1 dargestellt.
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Das Messverfahren ermittelt die Stärke der Einwirkung des Fluids auf den Messzylinder in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto größer soll die gemessene Kraft sein. Der Neigungswinkel des Graphen (m) charakterisiert die viskosen Eigenschaften des Fluids. Eine Extrapolation der Graphen in den Bereich der niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten (F0) kennzeichnet die elastischen Eigenschaften des Fluids. Das Diagramm in 2 veranschaulicht diese Abhängigkeit.
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Die Zuordnung zwischen den gemessenen Kraftwerten und den rheologischen Eigenschaften der Fluide erfolgt mit Hilfe von Vergleichswerten aus einer Datenbank, die anhand von Referenzfluiden ermittelt wurden. Durch diese Zuordnung lässt sich ein Diagramm wie in 2 in ein Diagramm wie in 3 überführen, hier wird die Scherrate mit der Scherspannung ins Verhältnis gesetzt.
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Die Hauptkomponenten der für das Verfahren notwendigen erfindungsgemäßen Anordnung sind:
- • Rohrsegment
- • Messzylinder
- • Grenzfläche
- • Sensoren
- • Rechnereinheit.
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Die Anordnung mit dem Rohrsegment beinhaltet eine Reihe von Sensoren zur Erfassung verschiedener Messgrößen bzgl. Durchströmung und Krafteintrag an der Wand der Grenzfläche des Messzylinders. Der Krafteintrag wird durch die Verformung elastischer Materialien mit einem definierten Elastizitätskoeffizienten ermittelt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids innerhalb des Messzylinders wird direkt mittels Ultraschall oder indirekt über die Erfassung der Durchflussmenge des Fluids berechnet.
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Die hier behandelte Erfindung kann in einer Vielzahl von Branchen verwendet werden, in denen Fluide, insbesondere verschiedene Flüssigkeiten und Suspensionen in technologischen Prozessen eingesetzt und transportiert werden. Als primärer Anwendungsbereich wird zunächst die Qualitätskontrolle in der Betonindustrie anvisiert. Geringste Veränderungen der Charakteristiken der Komponenten des Frischbetons, wie die Korngrößenverteilung und die Feuchtigkeit des Sandes, den Typ der Gesteinskörnungen usw. haben Einfluss auf die rheologischen Eigenschaften des Betongemenges. Bei einem erfolgreichen Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung können mittelfristig automatisierte Computersysteme, basierend auf den erfassten Messdaten, Empfehlungen geben, im Anwendungsfall Beton z.B. für die Anpassung des Wasser/Zement-Werts oder die Verwendung zusätzlicher Additive.
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Außerdem kann mit Hilfe der aus dem Verfahren ermittelten Fluid-Kennwerte, das geeignete Regime des Pumpprozesses ausgewählt werden und anhand der aktuellen Prozessdaten Anpassungen vorgenommen werden, um das optimale Regime zu erreichen oder aufrecht zu erhalten. Dies kann Überlastungen der Pumpe und einen Pumpenbetrieb im Leerlauf vermeiden.
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Die Vergleichbarkeit der Krafteinwirkung von den Referenzfluiden und den eingesetzten Fluiden sowie die Funktionsfähigkeit des Rohr-Rheometers in verschiedenen Regimen werden durch computergestützte Simulationen sichergestellt. Die Regime decken dabei Variationen verschiedener Durchmesser und Längen der Messstrecke des Rohres, verschiedene Fließgeschwindigkeiten sowie Flüssigkeiten mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften ab. Auf diese Weise werden die Grenzen für den Einsatz des Messsystems definiert.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnitt-Darstellung der verfahrenstechnischen Anordnung,
- 2: ein Ergebnis-Diagramm zur Illustration des Verhältnisses von Strömungsgeschwindigkeit zu Kraft am Messzylinder, und
- 3: ein abgeleitetes Diagramm zur Illustration des Verhältnisses von Scherrate zu Scherspannung.
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Die in 1 gezeigte Anordnung ist in einfachster Weise dargestellt und dient zur Verwendung als Rohr-Rheometer (7). Mit dem Rohr-Rheometer (7) kann eine Bewertung der rheologischen Eigenschaften und der Pumpfähigkeit von Fluiden während des Bewegungsflusses im Inneren von Rohrleitungen erfolgen. Dazu wird ein Rohrsegment (1) verwendet, das mit einem Messzylinder (2) ausgestattet ist. Dabei ist die Grenzfläche (3) des Messzylinders (2) bündig mit dem Innenraum des Rohres und ermöglicht die messtechnische Erfassung der Krafteinwirkung durch die Fluidströmung. Der Messzylinder (2) ist auf dem Rohrsegment (1) mit einer Lagerung (6) befestigt. Die Lagerung (6) ist elastisch ausgeführt, um aus deren Verformung die Krafteinwirkung auf den Messzylinder (2) zu erfassen. Die hierfür notwendigen Sensoren (4) sind am Außenmantel angebracht. Zusätzliche Sensoren (4) sollen den wirkenden Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids erfassen. Bei Durchströmung des Rohres durch Fluide wird die Wechselwirkung zwischen des sich bewegenden Fluids und der Grenzfläche (3) des Messzylinders erfasst und rechentechnisch ausgewertet. Mit den in einer Recheneinheit (5) gespeicherten Vergleichswerten von Referenzfluiden ist es möglich die Zuordnung zwischen gemessenen Kennwerten und den rheologischen Eigenschaften zu bestimmen.
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2 zeigt mit dem Diagramm einen typischen Verlauf der auf den Messzylinder wirkenden Kraft in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Der Neigungswinkel des Graphen (m) charakterisiert die rheologischen Eigenschaften des Fluids, z.B. des fließenden Betons.
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3 zeigt das aus 2 abgeleitete Diagramm zur Beschreibung des Verhältnisses von Scherrate zu Scherspannung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrsegment
- 2
- Messzylinder
- 3
- Grenzfläche
- 4
- Sensoren
- 5
- Recheneinheit
- 6
- Lagerung
- 7
- Rohr-Rheometer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059534 A1 [0003]
