Erweiterung des Konzepts der rheologischen Ähnlichkeit und Einführung eines geeigneten Scale-Up Verfahrens für nicht Newton'sche Rührprozesse

Die Rührtechnik ist ein weit verbreiteter Arbeitsgang in der Verfahrenstechnik. Der Leistungsbedarf eines Rührwerkes ist direkt abhängig von den Eigenschaften des zu rührenden Mediums. Viele technisch relevante Fluide - Klärschlämme, Biogassubstrate, viele Lebensmittel und Lebensmittelzusätze, Lacke, Klebstoffe, etc - weisen komplexe rheologische Eigenschaften auf. Die meisten solchen technisch relevanten Fluide weisen scherverdünnendes Verhalten auf und verfügen über unterschiedlich stark ausgeprägte elastische Eigenschaften. Auf Basis der Kernthese, dass dimensionslos identische Leistungskurven stets dimensionslos identische Fließ- oder Viskositätskurven voraussetzen, wird ein Modell zur Maßstabsübertragung der Leistungscharakteristik gebildet. Es wird die Definition einer repräsentativen Reynolds-Zahl hergeleitet, die eine einfache ingenieurstechnische Anwendung ermöglicht. Die Datenbasis für eine umfassende Untersuchung stellt die CFD zur Verfügung, deren Ergebnisse durch eine möglichst breite Parametervariation im Experiment validiert wurden. Im Experiment stehen Medien mit unterschiedlich stark ausgeprägtem elastischen Verhalten zur Verfügung. Deren Charakterisierung erfolgt in eigens durchgeführten Rotations- und Schwingungsversuchen. Eine Übertragung der Newton'schen Leistungscharakteristik auf beliebig skalierte Systeme mit scherverdünnenden Power-Law-Fluiden wird für (repräsentative) Reynolds-Zahlen bis 1000 ermöglicht. Im - nach Rushton als Übergangsbereich bezeichneten - Bereich mittlerer Reynolds-Zahlen von zehn bis 100 konnte eine weitere Fließindex-Abhängigkeit der Leistungscharakteristik identifiziert werden. Die Einführung einer entsprechend korrigierten Newton-Zahl ermöglicht stark gesteigerte Genauigkeit bei der Vorhersage des Leistungsbedarfes.