DE19952760A1

DE19952760A1 - Rührelement

Info

Publication number: DE19952760A1
Application number: DE19952760A
Authority: DE
Inventors: Franz Durst; Marcus Schaefer; Peter Waechter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2001-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rührelement zum Mischen eines Fluids mit einer Mehrzahl an einer Nabe N angebrachten Blättern B, die aus einer Platte mit einem gekrümmten Profil gebildet sind, wobei die Platte eine im wesentlichen einheitliche Dicke d aufweist. Zur Verbesserung der Rührwirkung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Profil eine asymmetrische Krümmung nach Art eines Flugzeugflügels aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rührelement zum Mischen eines Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Rührelement ist aus der US 5,297,938 bekannt. Da bei sind die Blätter über Hilfsblätter an einer Nabe ange bracht. Die Blätter bestehen aus einer geknickten Platte. Der radial außenliegende Plattenabschnitt ist im wesentlichen symmetrisch gekrümmt.

Aus der US 4,802,771 ist eine Rührvorrichtung bekannt, bei der an einer Welle endständig ein Rührelement angebracht ist. Die Blätter des Rührelements sind an ihren Enden mit symme trisch gekrümmten Finnen versehen.

Die US 4,519,715 beschreibt ein Propeller zur Erzeugung einer axialen Strömung. Die sich von der Welle erstreckenden Blät ter weisen im Querschnitt eine symmetrische Krümmung auf.

Aus der US 4,896,971 ist eine Mischvorrichtung bekannt, bei der an einer Welle mehrere Flügelräder angebracht sind. Die Enden der Blätter sind nach unten gekrümmt. Die Blätter wei sen an den Enden eine symmetrische Wölbung auf. Sie sind mit schmalen Hilfsblättern an der Welle angebracht. In Draufsicht auf das Rührelement überlappen die Blätter teilweise.

Die US 5,158,434 und 5,112,192 beschreiben Flügelräder zum Mischen in Flüssigkeiten. Die Blätter dieser Flügelräder er strecken sich radial von einer Welle. Sie sind gewunden und weisen ein Vollprofil nach Art eines Flugzeugflügels auf.

Bei den in den US 5,813,837 und 5,052,892 beschriebenen Flü gelrädern sind wiederum geknickte Blätter an der Welle ange bracht.

Bei den bekannten Rührvorrichtungen ist zur Erzielung des ge wünschten Rührergebnisses ein relativ hoher Leistungseintrag erforderlich. Außerdem erfordern die Rührvorrichtungen nach dem Stand der Technik einen hohen Herstellungsaufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rührelement anzugeben, mit dem mit möglichst wenig Energieaufwand eine gute Durch mischung eines Fluids möglich ist. Außerdem soll das Rührele ment möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Anspüche 2-14.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, daß das Profil asymmetrisch nach Art eines Flugzeugflügels gekrümmt ist. - Das erfindungsgemäße Rührelement führt überraschenderweise bei einem deutlich geringeren Energieeintrag zu vergleichba ren Rührergebnissen. Es ist einfach und kostengünstig her stellbar.

Die Platte weist ferner eine erste und eine zweite Längskante auf und der Krümmungsradius nimmt im Profil von der ersten zur zweiten Längskante ab. Das so gebildete Profil zeichnet sich durch einen besonders hohen Auftriebsbeiwert c_a und ei nen geringen Widerstandsbeiwert c_w aus.

Das Profil weist bei einer Reynoldszahl Re von weniger als 60.000 eine Gleitzahl ε von höchstens 0,09, vorzugsweise höchstens 0,04, auf. Nach einer besonders bevorzugten Ausfüh rungsform ist die Gleitzahl ε in einem Bereich der Reynolds zahl von 40.000 bis 120.000, vorzugsweise bis 180.000, klei ner als 0,04.

Von hydrodynamischem Vorteil ist es ferner, daß die zweite Längskante der Platte im Profil spitz zulaufend ausgebildet ist. Je nach Anwendungsfall können die erste und die zweite Längskante unterschiedlich lang ausgebildet sein.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, daß die Blätter mittels eines Verbindungsstücks mit einem Abstand zur Nabe gehalten sind. Bei dem Verbindungsstück kann es sich um eine Stange, ein Rohr oder ein besonders strömungsgünstig profi liertes Element handeln. Bei einer solchen Anordnung der Blätter bilden sich ab einer bestimmten Bewegungsgeschwindig keit an der ersten Längskante bzw. Hinterkante der Blätter zwei gegenläufig rotierende Wirbelzöpfe. Die Ausbildung sol cher Wirbelzöpfe ist vorteilhaft; sie tragen zur verbesserten Durchmischung des Fluids bei. Die Wirbelzöpfe bilden sich überraschenderweise auch bei Profilen mit einer kleinen Gleitzahl aus. Der Energieaufwand zu deren Erzeugung ist ge ring.

Vorteilhafterweise ist eine Profilachse des Profils senkrecht zur Achse der Nabe angeordnet. Es kann aber auch sein, daß die Profilachse in einem Winkel zur Achse der Nabe oder auch parallel zur Achse der Nabe angeordnet ist. Unter Profilachse wird in diesem Zusammenhang eine Achse verstanden, welche im wesentlichen parallel zu den Längskanten verläuft und Punkte gleicher Krümmung miteinander verbindet.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal sind die Blätter mit einem Anstellwinkel gegenüber einer senkrecht zur Achse der Nabe gedachten Ebene angebracht. Wenn die Profilachse parallel zur Achse der Nabe angeordnet ist, kann es vorteil haft sein, daß die Blätter mit einem Anstellwinkel gegenüber einer parallel zur Achse der Nabe gedachten Ebene angebracht sind. Der Anstellwinkel kann zwischen 0,5 und 30°, vorzugs weise 10-15°, sein. Damit wird das Rührergebnis weiter ver bessert. Selbstverständlich sind auch Schrägstellungen der Blätter zwischen der vorgenannten senkrechten und parallelen Anordnung möglich.

Es ist vorteilhaft, daß mindestens zwei der Blätter in einan der gegenüberliegender Anordnung in einer ersten Ebene an der Nabe angebracht sind. Es können aber auch mehrere, z. B. vier, an einander gegenüberliegenden radial sich von der Nabe er streckenden Achsen angebrachte Blätter vorgesehen sein. Es ist auch möglich, daß eine Mehrzahl von Ebenen vorgesehen ist und in jeder der Ebenen mindestens zwei Blätter in einander gegenüberliegender Anordnung vorgesehen sind.

Nachfolgend werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Profil eines erfindungsgemäßen Blatts,

Fig. 2 die Ermittlung der Gleitzahl des Blatts gemäß Fig. 1 und eines Tragflügelprofils nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 die Gleitzahl des Blatts nach Fig. 1 im Vergleich zu Gleitzahlen eines Tragflügelprofils nach dem Stand der Technik sowie einer ebenen Platte,

Fig. 4 die Ausbildung von Wirbelzöpfen bei einem Blatt ge mäß Fig. 1,

Fig. 5 den Leistungseintrag des Blatts gemäß Fig. 1 im Vergleich zu Rührelementen nach dem Stand der Tech nik,

Fig. 6 ein erstes Rührelement,

Fig. 7 ein zweites Rührelement,

Fig. 8 ein drittes Rührelement,

Fig. 9 ein viertes Rührelement,

Fig. 10 ein fünftes Rührelement und

Fig. 11 ein sechstes Rührelement.

Zur Charakterisierung von Rührelementen werden in der Rühr werkstechnik vor allem die Reynoldszahl benutzt. Sie ergibt sich aus der folgenden Beziehung:

Dabei ist d_r der Rührerdurchmesser, n die Drehzahl und ν die kinematische Viskosität.

Hinsichtlich der geometrischen Gestaltung des Profils der Blätter von Flügelrädern kann von der Gleichung für die Auf triebskraft ausgegangen werden:
F_A = C_a.S.q

wobei die Bezugsfläche S durch das Produkt aus der Profiltie fe l mit der Spannweite b definiert ist:

S = b.l.

Analog dazu läßt sich für die Widerstandskraft F_W folgendes definieren:

F_W = C_w.S.q.

Bei den Faktoren c_a und c_w handelt es sich um den dimensions losen Auftriebs- bzw. Widerstandsbeiwert. Mit q ist der kine tische Druck bezeichnet.

Die Gleitzahl ε ist wie folgt definiert:

Zur Bestimmung der Rührleistung kann die folgende Beziehung angesetzt werden:

P = M.2.π.n.

Zur Bestimmung der Rührleistung P ist es ausreichend, das Drehmoment M und die Drehzahl n des Rührers zu kennen. Beide Größen können ohne weiters gemessen werden. Nach der Ermitt lung dieser Größen ist es möglich, die dimensionslose Reynoldszahl Re zu ermitteln. Ebenso kann die Rührleistung bzw. der Leistungseintrag P gegenüber der Mischzeit aufgetra gen werden.

In Fig. 1 ist ein Profil eines erfindungsgemäßen Blatts B ge zeigt. Das Blatt B ist aus einer Platte mit einer ersten Längskante L1 und einer zweiten Längskante L2 hergestellt. Der Krümmungsradius nimmt im Profil von der ersten L1 zur zweiten Längskante hin ab. Die zweite Längskante L2 ist im Profil spitz zulaufend ausgebildet. Mit Ausnahme des spitz zulaufenden Abschnitts im Bereich der zweiten Längskante L2 weist das Blatt B eine im wesentlichen einheitliche Dicke d auf.

In Fig. 2 ist der Auftriebsbeiwert c_a des Blatts B gemäß Fig. 1 über dessen Widerstandsbeiwert c_w bei einer Reynoldszahl von 42.000 aufgetragen. Im Vergleich dazu ist rechts daneben ebenfalls der Auftriebsbeiwert c_a über dem Widerstandsbeiwert c_w für ein Tragflügelprofil nach dem Stand der Technik ge zeigt. Dieses Tragflügelprofil ist im Gegensatz zum Profil gemäß Fig. 1 an seiner Unterseite eben ausgebildet.

Aus der vergleichenden Darstellung in Fig. 2 wird deutlich, daß das erfindungsgemäße Blatt B höhere Auftriebsbeiwerte c_a und niedrigere Widerstandsbeiwerte c_w aufweist als der Trag flügel nach dem Stand der Technik.

In Fig. 3 ist vergleichend die Gleitzahl ε über der Reynolds zahl für das Blatt B gemäß Fig. 1, ein Tragflügelprofil nach dem Stand der Technik und eine ebene Platte gezeigt. Das Blatt B gemäß Fig. 1 ist über den gesamten Bereich der hier betrachteten Reynoldszahlen Re von etwa 20.000 bis 180.000 durch besonders niedrige Gleitzahlen ε gekennzeichnet. Die Gleitzahlen ε sind über den Gesamtbereich stets kleiner als 0,04. Insbesondere auch im Bereich zwischen 20.000 und 60.000 sind die Gleitzahlen ε des Blatts B gemäß Fig. 1 kleiner als 0,04. Hier erreichen die Gleitzahlen ε des Tragflügelprofils nach dem Stand der Technik Werte von mehr als 0,2.

In Fig. 4 ist die bei Benutzung des Blatts B gemäß Fig. 1 in einem Fluid hervorgerufene Wirbelbildung gezeigt. Die an dem erfindungsgemäßen Blatt B hervorgerufene räumliche Strömung entsteht durch einen Druckausgleich zwischen Blattunter- und -oberseite an den Blattenden. Dieser Druckausgleich bewirkt eine Ablenkung der Stromlinien an der Oberseite zur Mitte hin und auf der Unterseite von der Mitte weg. Gegen die Blattmit te nimmt die Größe der Stromlinienablenkung beidseitig auf Null ab. Bei der Wiedervereinigung der oberen und unteren Stomlinien hinter dem Blatt, weisen diese, je nach Größe der Ablenkung, seitliche Geschwindigkeitskomponenten auf. Dadurch wird eine Drehbewegung eingeleitet. Entlang der zweiten Kante L2 entstehen also Wirbel, die zusammen eine Wirbelfläche bil den. Besonders stark ausgebildet sind die Wirbelbänder, wel che von den Blattenden ausgehen. Diese werden allgemein als "Wirbelzöpfe" bezeichnet. Das erfindungsgemäße hydrodynamisch profilierte Blatt B zeichnet sich durch besonders schmale Wirbelzöpfe aus. Spritzt man z. B. zur Durchführung einer che mischen Reaktion eine 2. Komponente in den Bereich dieser Wirbelzöpfe, so gewährleisten die Wirbelzöpfe eine schlagar tige Durchmischung mit einer im Fluid vorliegenden 1. Kompo nente. Das ermöglicht insbesondere bei konkurrierenden chemi schen Reaktionen eine gezielte Reaktionsführung, d. h. eine Beeinflussung der Selektivität und des Umsatzes.

In Fig. 5 ist die Mischzeit des Blatts B gemäß Fig. 1 über dem Leistungseintrag P gezeigt. Das hier benutzte Blatt B weist eine Kantenlänge der ersten und zweiten Längskanten von 50 mm und eine Kantenlänge der ersten und zweiten Querkanten von 50 mm auf. Die Dicke der gewölbten Platte beträgt 1 mm. Der Anstellwinkel ist 15°. Gegenüber den nach dem Stand der Technik von Ruzkowski untersuchten Rührelementen (Ruszkowski, S., 1994, A rational method for measuring blending perfor mance and comparison of different impeller types, Proc. Eight European Conference on Mixing, I. Chem. E. Symposium Series No. 136, 283-291) ist die Mischzeit bei vergleichbarem Lei stungseintrag um ein Mehrfaches verringert. Das erfindungsge mäße Rührelememt ist also besonders energiesparend.

In Fig. 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rührele ments gezeigt. Auf einer Welle W ist eine Nabe N angebracht. Von der Nabe N erstrecken sich stangenartige Verbindungsele mente V, an denen endständig jeweils ein Blatt B angebracht ist. Eine Profilachse P der Blätter B ist hier parallel zur Achse der Nabe N orientiert. Bei dem in Fig. 7 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist die Profilachse P senkrecht zur Achse der Nabe N angeordnet. Die Blätter B sind hier mit einem Anstellwinkel von etwa 15° gegenüber einer insbesondere durch Rotation der Verbindungselemente V definierten Ebene angestellt. Die Ebene steht also senkrecht zur Achse der Nabe N.

Bei den in den Fig. 8 und 9 gezeigten dritten und vierten Ausführungsformen ist das Verbindungselement V kürzer als bei den vorerwähnten Ausführungsbeispielen ausgeführt.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Blätter B in einander gegenüberliegender Anordnung endständig jeweils an einem Verbindungselement V befestigt sind. Es sind hier mehrere Ebenen vorgesehen. Jede Ebene ist mit einem aus zwei Blättern B in gegenüberliegender Anordnung bestehenden Rüh relement besetzt.

In Fig. 11 ist ein Rührelement gezeigt, bei dem jeweils zwei Blätter B an einem Verbindungselement V aufgenommen sind.

Bezugszeichenliste

N Nabe
W Welle
B Blatt
P Profilachse
V Verbindungselement
L1 erste Längskante
L2 zweite Längskante
d Dicke

Claims

1. Rührelement zum Mischen eines Fluids mit einer Mehrzahl an an einer Nabe (N) angebrachten Blättern (B), die aus einer Platte mit einem gekrümmten Profil gebildet sind, wobei die Platte eine im wesentlichen einheitliche Dicke (d) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil eine asymetrische Krümmung nach Art eines Flugzeugflügels aufweist.

2. Rührelement nach Anspruch 1, wobei die Platte eine erste (L1) und eine zweite Längskante (L2) aufweist und der Krüm mungsradius im Profil von der ersteh (L1) zur zweiten Längs kante (L2) abnimmt.

3. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das Blatt (B) bei einer Reynoldszahl von weniger als 60.000 eine Gleitzahl ε von höchstens 0,09, vorzugsweise höchstens 0,04, aufweist.

4. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Gleitzahl ε des Blatts (B) in einem Bereich der Reynoldszahl von 40.000 bis 120.000, vorzugsweise bis 180.000, kleiner als 0,04 ist.

5. Rührelememt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die zweite Längskante (L2) der Platte im Profil spitz zu laufend ausgebildet ist.

6. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die erste (L1) und die zweite Längskante (L2) unter schiedlich lang ausgebildet sind.

7. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Blätter (B) mittels eines Verbindungsstücks (V) mit einem Abstand zur Nabe (N) gehalten sind.

8. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei eine Profilachse (P) des Profils senkrecht zur Achse der Nabe (N) angeordnet ist.

9. Rührelement nach Anspruch 8, wobei die Blätter (B) mit einen Anstellwinkel gegenüber einer senkrecht zur Achse der Nabe (N) gebrachten Ebene angebracht sind.

10. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Profilachse (P) parallel zur Achse der Nabe (N) ange ordnet ist.

11. Rührelement nach Anspruch 10, wobei die Blätter (B) mit einem Anstellwinkel gegenüber einer parallel zur Achse der Nabe (N) gedachten Ebene angebracht sind.

12. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der Anstellwinkel zwischen 0,5 und 30°, vorzugsweise 10-15°, ist.

13. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei mindestens zwei der Blätter (B) in einander gegenüberlie gender Anordnung in einer ersten Ebene an der Nabe (N) ange bracht sind.

14. Rührelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei eine Mehrzahl an Ebenen vorgesehen ist und in jeder der Ebenen mindestens zwei der Blätter (B) in einander gegenüber liegender Anordnung vorgesehen sind.