Rühren und Mischen

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Der Zweck des Rührens in der Glasindustrie ist die Homogenisierung des Glases, also die Herstellung von einheitlichem, homogenem Glas. Das Rührgeräte arbeiten unter hohen Temperaturen unter hoher mechanischer Beanspruchung. Deshalb müssen sie robust sein und haben oft große Anteile an Platin oder Platinlegierungen. Obwohl die benutzten Rührer, Rührstäbe, Mischer, Homogenisierer, Schneckenkolben (screw plunger) und Kolbenrührer (plunging stirrer) generell sehr effektiv arbeiten, verlässlich sind und eine vorhersagbare Lebensdauer haben, sind niedrigere Kosten und verbesserte betriebliche Effizienz vorrangige Ziele für die Zukunft.

Path lines simulation with meshless CFD

Abb. 1: Pfadlinien

Die Rührer-Applikation unserer CFD Simulationssoftware NOGRID points analysiert kontinuierlich arbeitende Rührsysteme und hilft, das optimale Rührerdesign zur Erreichung der besten Produktqualität zu finden. Wir haben herausgefunden, dass die beste Art, die Qualität eines bestimmten Rührers zu messen, die Deformation einer Masse ist, die durch das Rührsystem strömt. Wir haben die lokale Deformation der Masse über den gesamten Weg durch das Rührsystem integriert. Das Ausmaß der Deformation indiziert, wie die Masse gedehnt wurde. Eine hohe Deformation bedeutet, dass Schlieren oder Knoten, die den Rührer  durchlaufen, zu einer sehr langen Masse gedehnt werden und als Endergebnis schließlich verschwinden und die Produktqualität nicht länger beeinflussen.

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Abb. 2: Pfadlinien am Ende der Untersuchung

In der Glasindustrie werden Homogenisierungssysteme verwendet, um die Produktqualität zu steigern. In der Praxis kann - abhängig vom Formungsprozess -  beobachtet werden, dass ein Rührsystem Glasdefekte sowohl erzeugen als auch beheben kann. Mit dem physikalischen Modellieren von Rührsystemen kann man leicht zeigen, wie Partikeltracer der Strömung folgen und was passiert, wenn die Tracer die an die Rührpropellerflügel grenzenden Bereiche durchdringen. Die Startposition der Tracer können variieren, aber die isokinetischen Konditionen müssen berücksichtigt werden. Wenn man annimmt, dass die Dichte und die Viskosität der Tracer den Fluideigenschaften entsprechen, zeigt das physikalische Modellieren von Rührsystemen viele Effekte, die zum Verständnis der Strömung in Rührsystemen beitragen.

Um detaillierte Informationen über die Mischqualität eines bestimmten Rührsystems zu erhalten, verwenden wir die mathematische Simulation. Hier analysieren wir Partikeltracer während ihres Weges durch das Rührsystem. Wichtige Ergebnisse sind die Länge des Weges (Pfad), die Verweildauer und die Deformation eines mathematischen Volumens. Insbesondere die Information über die Dehnung eines bestimmten Volumens entlang des Partikelpfades kennzeichnet die Qualität des Mischprozesses.

Die Materialeigenschaften der tatsächlichen Schlieren können sich hinsichtlich Dichte und Viskosität von denen der Glasschmelze unterscheiden. Um diesen Effekt zu modellieren, haben wir ein Tool entwickelt, das die Berechnung des Volumens mit eigener Dichte und Viskosität erlaubt. Dieses Volumen folgt nicht länger den Strömungslinien des Fluids, sondern findet seinen eigenen Weg durch das Rührsystem, in Abhängigkeit der mechanischen Kräfte und der Entfernung der Wand.