Zur Untersuchung der Deformation und des Aufbruchs von Tropfen in komplexen Strömungsfeldern, die man beim Mischen und Extrudieren, d.h. in Rotor-Stator Geometrien und Extrudern vorfindet, haben wir eine gekoppelte Herangehensweise aus numerischer Simulation, Experimenten und theoretischer Modellierung für das Vorhaben implementiert. Ziel der Arbeiten ist es, eine möglichst vollständige Beschreibung einer Extruderströmung vorzustellen und anhand der identifizierten Material- und Prozessparameter dem Nutzer ein "Kochbuch" zur Auslegung solcher Strömungen zur Hand zu geben.
Im PERT-Konzept (Periodical Elongation-Relaxation Treatment) findet die obige Arbeitshypothese ihre praktische Umsetzung. Im Rahmen des Projektes wurde eine Mehrzahngeometrie entwickelt, die ein dreidimensionales Modell eines Zweiwellenextruders mit PERT-Geometrien darstellt.
Im Jahre 2003 haben wir die drei angewandten Methoden, Experiment, Simulation und Modellierung etabliert und verfeinert, so dass eine herausragende Übereinstimmung erzielt werden kann. In den Jahren 2004 und 2005 wurden die Werkzeuge auf komplexere Situationen abgestimmt. Versuche mit Mehrzahngeometrien zur Überprüfung des PERT-Konzepts wurden mit ausgewählten Modellsystemen durchgeführt und konnten die Arbeitshypothese vollumfänglich bestätigen. Durch die wiederholte Deformation und Relaxation ist mit dem PERT-Konzept sichergestellt, dass der Tropfen nach einem oder mehreren Zahndurchgängen durch die aufsummierte Deformation aufbricht. Es konnte, in Übereinstimmung mit der Arbeitshypothese, gezeigt werden, dass nicht eine maximale Deformation in einer durch Dehnung dominierten Zone zu einem guten Ergebnis führt, sondern dass eine moderate Dehnung und eine Ruhezone eine homogene Fibrille erzeugt, die dann auf Grund von Kapillarinstabilitäten auch in homogene große Tröpfchen zerfällt. Des weiteren konnte gezeigt werden, daß der Tropfenaufbruch durch die wiederholte Belastung im PERT-Konzept für alle Viskositätsverhältnisse realisierbar ist. Interessanterweise auch für l > 3 (Viskositätsverhältnis Tropfenphase zu kontinuierlicher Phase), bei dem man keinen Aufbruch in stetiger Scherströmung erwartet. Auch hier hat sich somit das vorgeschlagene Zahndesign des Rotor-Stators, welches eine gekoppelt Scher-Dehnbelastung aufbringt, bewährt. Die Ergebnisse zeigen, dass zusammenfassend "Das Ziel des Vorhabens erreicht wurde".
Forschungsstelle: ETH Zürich, Institut für Lebensmittelwissenschaft, Laboratorium für Lebensmittelverfahrenstechnik
Leiter des Projektes: Prof. Dr.-Ing. E. J. Windhab
Laufzeit: 01.08.2003 - 31.07.2005
Betreut durch: AK 5
Das IGF-Vorhaben Nr. 13417 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.