Rühren

INW - Ingenieur- und NaturWissenschaften
Mechanisch-Thermische Prozesse
Rühren
wissenschaftliche
und technische Betreuung:
Prof. Dr. T. Martin
Dipl.-Ing. F. Ramhold
Dipl.-Ing. (FH) S. Lebioda
M
VERSUCHSZIEL
In der Rührtechnik existieren eine Vielzahl unterschiedlicher Rührertypen, deren Anwendungen
meist auf einen spezifischen Einsatzbereich ausgelegt sind. Sie unterscheiden sich hauptsächlich
in ihrer geometrischen Form und wirken so unterschiedlich auf das fluiddynamische Rührverhalten ein.
Ziel ist es in diesem Praktikum, ausgewählte Laborrührer hinsichtlich ihres Mischzeitverhaltens und ihrer Leistungscharakteristiken (Ne(Re)) zu beschreiben. Im Vordergrund steht dabei der Vergleich zwischen der Zeit die benötigt wird um ein hinreichend homogenes Gemisch
herzustellen und der dabei aufzubringenden Rührleistung.
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MISCHZEITVERHALTEN
Das Mischzeitverhalten der verschiedenen Rührer soll hier sowohl qualitativ, als auch quantitativ untersucht werden. Zur Charakterisierung des Mischzeitverhaltens ausgewählter Rührer,
wird eine gesättigte NaCl-Lösung in einer Wasser-Leim-Mischung homogenisiert. Die Variable
ist die Drehzahl bzw. die Re-Zahl. Ziel ist es, das Konzentrationsprofil mit Hilfe der Leitfähigkeit
in Abhängigkeit von der Zeit zu messen und daraus die Mischzeit zu ermitteln. Die Mischgüte
(Homogenitätsgrad) ist erreicht, wenn sich die gemessene Konzentration (ci) das letzte Mal um
5% von der mittlere Konzentration ( ) unterscheidet.
normierte Leitfähigkeit (-)
Diagramm 1: Mischzeitbestimmung
+5%
1,0
-5%
0,5
0,0
0
20
40
60
80
100
120
Zeit (s)
Versuchsdurchführung
Die Mischzeiten werden bei 500, 700 und 900 min-1 bestimmt.
Zu Beginn wird die entsprechende Solldrehzahl am Rührermotor eingestellt. Bei stationärem
Verhalten werden je 4 ml Salzlösung dem Wasser-Leim-Gemisch zugeführt. Gleichzeitig ist die
Messwerterfassung zu starten, so dass zum Zeitpunkt des Einfüllens der Salzlösung t = 0 ist. Für
eine solide Reproduzierbarkeit sollte Ihre Vorgehensweise stets die gleiche sein.
Verwenden Sie bitte dieselben Rührer, die Sie auch zur Messung des Leistungseintrages nutzen.
Auswertung vor Ort
«
Bestimmung und Tabellierung der Mischzeiten der einzelnen Rührer
«
Darstellung der normierten (nur Leitfähigkeit) Salinitäts- Zeitverläufe im Diagramm
«
Interpretation der Graphen
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LEISTUNGSEINTRAG
Aus ökonomischer Sicht ist das für die Auslegung eines geeigneten Rührers wichtigste Kriterium
die vom Rührer in das Medium eingebrachte Leistung. Diese ist das Produkt aus dem Drehmoment im stationären Betrieb und der Winkelgeschwindigkeit. Das Drehmoment ist die vom Rührer auf das Medium übertragene Kraft multipliziert mit dem Hebelarm.
P
: Leistungsbedarf vom Rührer (W)
M
: Drehmoment (Nm)
F
: Kraft (N)
s
: Hebelarm (m)
ω
: Winkelgeschwindigkeit (rad/s)
n
: Drehzahl (1/s)
Bei unbekanntem Drehmoment lässt sich der Leistungseintrag auch über die folgende Beziehung
errechnen.
Ne : Newtonzahl (-)
ρ
: Dichte vom Medium (kg/m³)
d2
: Rührerdurchmesser (m)
Voraussetzung ist hierbei die Kenntnis der Newtonzahl und das es sich um eine Newton'sche
Flüssigkeit handelt. Die Ne-Zahl ist wie die Reynoldszahl eine aus der Dimensionsanalyse gewonnene Kenngröße und beschreibt den vom Rührer ausgehenden Strömungswiderstand oder
auch den Anteil der eingetragenen Leistung von der Gesamtleistung. Der Leistungseintrag hängt
vor allem davon ab, ob eine laminare oder turbulente Strömung im Rührbehälter vorliegt (siehe
Diagramm). Beschrieben wird dieser Strömungszustand mit Hilfe der Rührer-Reynoldszahl.
Re
: Reynoldszahl (-)
d
: Rohrdurchmesser (m)
v
: Strömungsgeschwindigkeit (m/s)
η
: Dynamische Viskosität vom Medium (Pa s)
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Diagramm 2: Leistungscharakteristiken diverser Rührertypen (mit 4 Stromstörer)
Ne-Zahl
1E+03
d1
1E+02
Scheibenrührer
Propellerrührer
h1/d1
d2/d1
h2/d1
h1/d1 = 1
d2/d1 = 0,33
h2/d1 = 0,3
3 flügelig
=1
= 0,33
= 0,3
h1
d2
h2
1E+01
Scheibenrührer
1E+00
Propellerrührer
laminarer Bereich
1E-01
1E+00
Übergangsbereich
1E+01
Re-Zahl
1E+02
1E+03
turbulenter Bereich
1E+04
1E+05
1E+06
Quelle: [1]
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Für die grafische Darstellung der rührertypischen Strömungswiderstände (Ne) in Abhängigkeit
vom Strömungszustand (Re) dient Diagramm 21.
Bis etwa
handelt es sich um eine laminare Flüssigkeitsbewegung die eine intensive
Vermischung der beteiligten Stoffe kaum zulässt. Die signifikante Einflussgröße ist hier die Zähigkeit.
Mit steigender Re-Zahl bilden sich im Übergangsbereich
zunehmend Turbu-
lenzballen aus und die Dichte des Mediums beginnt den Leistungseintrag zu beeinflussen.
Im vollturbulenten Bereich (
wird die Ne-Zahl unabhängig von der Re-Zahl und ist
konstant. Diese ist für jeden Rührertyp charakteristisch.
Die Ne-Zahl wird außerdem von der Geometrie des Rührers, des Rührbehälters und von der Position des Rührers beeinflusst.
Drehmomentenmessung
Für die Bestimmung der Rührerleistung ist das Drehmoment bei gegebener Drehzahl erforderlich. Dafür ist der Rührbehälter luftgelagert aufgestellt, so dass die während des Rührens resultierende Tangentialkraft (Ft) am Behältergestell ermittelt werden kann. Das Gestell ist durch einen dünnen Kupferdraht mit einem Gewicht, welches auf einer Waage steht verbunden. Zusammen mit dem Hebelarm ergibt diese Kraft das aufgewendete Drehmoment.
Zusätzlich muss gelten Ft,max < FGewicht.
M
BEHÄLTERGESTELL
Ft
UMLENKROLLE
Druckluft
p=5 bar
LUFTTISCH
WAAGE
Abb. 1 Versuchsaufbau
1
Das Leistungsdiagramm steht in Analogie zum Rohrreibungsdiagramm
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Versuchsdurchführung
Befüllen sie den Rührbehälter soweit mit der vorgegebenen Glycerinlösung bis das Verhältnis
h1/d1 = 1 (siehe Diagramm) beträgt. Die zu untersuchenden Rührer werden vor der Durchführung ausgehändigt.
Als variable Größe dient hier die ReRührer-Zahl, die durch schrittweise Erhöhung der Rührerdrehzahl am Motor verändert wird. Drehen Sie die Druckluftzufuhr für den Lufttisch auf und sorgen
Sie für einen Vordruck von 5 bar. Die Drehzahl wird von 500-1000 min-1 variiert (Δn=100 min-1).
Tarieren Sie die Waage bei n = 0 und notieren Sie die angezeigten Gewichtsdifferenzen bei eingestellter Drehzahl und verwendetem Rührer. Achten Sie bitte darauf, beim Rührerwechsel möglichst wenig Glycerinlösung zu verlieren.
Glycerinanteil (%)
η (Pas)
ρ (kg/m³)
90
0,209
1234,1
Abb. 2 Stoffdaten Glycerinlösungen
Auswertung vor Ort
«
Nehmen Sie die Differenzwerte der Waage tabellarisch auf und berechnen Sie damit die
gesuchten Größen, um den Leistungseintrag rechnerisch und grafisch darzustellen.
«
Erläutern Sie Ihren Lösungsweg in Form einer Beispielrechnung
«
Vergleichen Sie diese Ergebnisse mit denen aus der Literatur für den Scheiben- und Propellerrührer (siehe Diagramm) und diskutieren Sie auftretende Abweichungen.
«
Wie verhalten sich die anderen Rührer dazu und was kann daraus über das charakteristische Strömungsfeld gesagt werden?
«
Verketten Sie beide Versuchen miteinander und Begründen Sie, welchen Rührer Sie für
diese Aufgabe favorisieren.
Diagramm 2 ist auch als Word-Dokument bei mir (MAIL) oder auf meiner Seite (web.hsmerseburg.de/~lebioda) vorhanden. Auf diese Weise lassen sich die Messwerte direkt in das integrierte Ne(Re)-Diagramm sauber eintragen.
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Benötigte Materialien
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Schutzbrille
«
Laborkittel
«
Taschenrechner
«
Verwendete Stoffe
Glycerin 99,5%
CAS Nr.
56-81-5
Schmelzpunkt
18 °C
Flammpunkt
177 °C
molare Masse
92,09 g/mol
Dichte (20 °C)
1,26 g/cm³
Sonstiges
http://www.carlroth.com/media/_de-ch/sdpdf/3783.PDF
Verständnisfragen
«
Wie kann ein gleichmäßiger Energieeintrag in großen Rührkesseln (ca. 40m³) gewährleistet werden?
«
Wozu dienen Stromstörer?
«
Wie lauten die Grundoperationen in der Rührtechnik?
«
Warum ist die Kenntnis der Rührerleistung wichtig?
«
Was ist ein newtonsches Fluid?
«
Wie sehen die Leistungscharakteristiken ohne Stromstörer aus?
«
Wie lang ist der Hebelarm für die Bestimmung des Drehmoments?
«
Welche Eigenschaften sollte der Draht zur Kraftübertragung aufweisen?
Zusätzliche Literatur
[1]
Bohnet, Matthias. 2007. "Mechanische Verfahrenstechnik". s.l. : WILEY-VCH Verlag GmbH
& Co. KGaA, 2007.
[2]
Stieß, Matthias. 1992. "Mechanische Verfahrenstechnik 1". s.l. : Springer-Verlag, 1992.
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DECKBLATT
(Bitte ausgefüllt dem Protokoll beifügen)
Matrikel/Gruppennummer
:
Versuchsdatum
:
Abgabedatum
:
Teilnehmer
:
1
(Protokollersteller)
:
2
:
3
:
4
:
5
:
Versuchsdaten (für n=700 min-1)
Glycerinanteil
Ma%
Rührertypen
-
Rührer Ø
m
Leistung
W
Ne-Zahl
-
Re-Zahl
-
Mischzeit
s
Zu Überarbeiten (nur Betreuer)
«
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