Rotor-Stator-Mischer werden häufig zur Vermischung (hoch)viskoser Flüssigkeiten eingesetzt. Bei mittel- und höherviskosen Fluiden findet der Mischprozess vollständig im laminaren Strömungsbereich statt. Dabei liegt in Rotor-Stator-Mischern die Überlagerung einer axialen und einer rotatorischen Strömung vor. Die Rotationsströmung wird durch die Bewegung eines Rotors induziert, der sich koaxial und mit hoher Drehzahl in einem Stator dreht. In den engen Spalten zwischen Rotor und Stator liegen sehr steile Geschwindigkeitsgradienten vor, die eine starke Deformation einzelner Fluidelemente und damit eine hohe Mischeffizienz bewirken. Obwohl der Einsatz von Rotor-Stator-Mischern in der Industrie weitverbreitet ist, liegen in der Literatur nur wenige systematische Untersuchungen dieses Mischertyps hinsichtlich Strömungsfeld und Mischverhalten vor.
Ziel des Forschungsvorhabens war die detaillierte Untersuchung einer Mischergeometrie hinsichtlich des benötigten Leistungseintrags, der Temperaturerhöhung und des Mischverhaltens. Das Betriebsverhalten des Rotor-Stator-Mischers wurde sowohl mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation als auch an einem hierfür entwickelten Versuchsstand analysiert. Zur Bestimmung der Konzentrationsverteilung am Mischerausgang wurde das Messverfahren der Planaren Laser-Induzierten Fluoreszenz eingesetzt.
Das Betriebsverhalten des Rotor-Stator-Mischers konnte hinsichtlich der Druckdifferenz über den Mischer, dem an der Rotorwelle angreifenden Drehmoment und der Temperaturerhöhung über den Mischer in Form von Ähnlichkeitsgesetzen mit Hilfe dimensionsloser Kennzahlen beschrieben werden. Für die Mischgüte wurde eine direkte Abhängigkeit vom Verhältnis Drehzahl zu Gesamtvolumenstrom gefunden. Über eine Geometrievariation mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation konnten die Einflüsse verschiedener Geometrieparameter untersucht werden, und eine optimierte Geometrievariante wurde entwickelt. Diese benötigt gegenüber dem untersuchten Grundmodell einen um 20% reduzierten Leistungseintrag bei leicht verbesserter Mischgüte. Die optimierte Mischergeometrie wurde anschließend in den Versuchsstand integriert und das Betriebsverhalten in Experimenten validiert.
Bewertung: Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 5/07 bis 04/11 an der Universität Stuttgart, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (Böblinger Straße 72, 70199 Stuttgart, Tel.: 0711/685-85210) unter der Leitung von Prof. Dr. M. Piesche (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. M. Piesche).
Das IGF-Vorhaben Nr. 14998 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.