Untersuchung der Mischgüte eines Statischen Mischers mittels laseroptischer Messmethoden
Was ist Mischen?
Prinzipiell bezeichnet Mischen die Vereinigung von mehreren Ausgangsstoffen mit zumeist unterschiedlichen Eigenschaften und meist auch in unterschiedlichen Zusammensetzungen zu einem neuen Stoff, einem Gemisch. Ziel ist das Erreichen einer möglichst hohen Homogenität (Gleichverteilung) des neuen Stoffes.
Was sind Statische Mischer und wofür sind sie geeignet?
Statische Mischer sind Rohre oder Kanäle mit feststehenden Einbauten, also geschlossene, nicht bewegte Bauteile, zur Mischung von Fluiden (Gasen und Flüssigkeiten). Dabei wird die Geschwindigkeitsenergie der Fluide in einer Strömung zur Mischung genutzt. Statische Mischer werden in diversen Ausführungen eingesetzt. Wir verwenden zum Homogenisieren einen Statischen Mischer vom Typ SMX, bestehend aus mehreren Segmenten, die wiederum aus ineinander greifenden (verzahnten) Stegen gefertigt sind (siehe Bild: optisch transparente, rechteckige, einsegmentige Versuchsausführung). Im Gegensatz zu konventionellen Rührkesseln sind Statische Mischer insbesondere zum Mischen zähflüssiger Fluide, vor allem Produkte der Chemie-, Lebensmittel-, Polymer- und Farbstoffindustrie, geeignet. Dabei ist eine Vermischung, bei der keine Verwirbelungen auftreten, wünschenswert.
Warum besteht Untersuchungsbedarf?
Statische Mischer sollen durch eine hohe Mischgüte gekennzeichnet sein, d.h. effektiv arbeiten, nach einer kurzen Mischzeit und somit auch kurzen Mischstrecke sollte das Gemisch möglichst homogen sein. Weiterhin sollte der Druckverlust (d.h. die aufzuwendende Energie) über einen Statischen Mischer so gering wie möglich sein. Diese Anforderungen steigen stetig und demzufolge sind die Mischer zu optimieren. Dafür ist die genauere Untersuchung des Mischvorganges, sowie die Weiterentwicklung von Mischmodellen, auch als Grundlage bzw. zur Validierung industriell einsetzbarer numerischer Werkzeuge, erforderlich.
Welche laseroptische Messmethoden werden verwendet?
Zur Untersuchung der Mischgüte sind Informationen zu lokalen Konzentrationen der Fluidströme, als auch Kenntnisse über die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten hinter dem Mischer notwendig. Daher ist das Hauptziel unserer experimentellen Arbeit die Untersuchung der zeitabhängigen Konzentrations- und Geschwindigkeitsfelder hinter dem Mischer mittels laseroptischer Messmethoden, welche die Vorteile haben, 2-dimensionale Messungen zu ermöglichen und die Strömung nicht zu beeinflussen - wie es z. B. bei Strömungssonden der Fall wäre.
Zur Visualisierung der Konzentrationsfelder (Bilder links) wird die Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) verwendet. Dabei wird den zu mischenden Fluidströmen ein fluoreszierender Farbstoff mit bekannter Konzentration zugegeben. Mittels Laser als Lichtquelle wird während des Mischvorganges in der zu betrachtenden Ebene kurzzeitig Fluoreszenz erzeugt und mit einer geeigneten Kamera aufgenommen. Die ermittelte Fluoreszenz-intensität ist dabei ein Maß für die Konzentration des zu mischenden Fluids.
Die Geschwindigkeitsfelder (Bild rechts) werden mittels Particle Image Velocimetry (PIV) visualisiert. Dabei wird die Strömung mit geeigneten, der Strömung schlupffrei folgenden, laser-lichtstreuenden Partikeln (Tracern) versetzt und in der zu betrachtenden Ebene mittels Laser beleuchtet. Innerhalb eines sehr kleinen Zeitabstandeswerden nacheinander zwei Bilder der Partikel in der Strömung aufgenommen. Anschließend werden die Bilder miteinander korreliert und die Verschiebungsvektoren (Geschwindigkeitsvektoren) der Partikel vom ersten Bild zum zweiten Bild werden berechnet.