Erweiterung des Konzepts der rheologischen Ähnlichkeit und Einführung eines geeigneten Scale-Up Verfahrens für nicht Newton'sche Rührprozesse

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Die Rührtechnik ist ein zentraler Arbeitsgang in der Verfahrenstechnik, dessen Leistungsbedarf stark von den Eigenschaften des zu rührenden Mediums abhängt. Viele relevante Fluide wie Klärschlämme, Biogassubstrate und Lebensmittel zeigen komplexe rheologische Eigenschaften, oft mit scherverdünnendem Verhalten und variierenden elastischen Eigenschaften. Die zentrale These besagt, dass dimensionslos identische Leistungskurven nur durch entsprechend identische Fließ- oder Viskositätskurven möglich sind. Ein Modell zur Maßstabsübertragung der Leistungscharakteristik wird entwickelt, wobei eine repräsentative Reynolds-Zahl definiert wird, die eine einfache ingenieurtechnische Anwendung ermöglicht. Die CFD-Datenbasis wird durch umfangreiche experimentelle Parametervariationen validiert. Die Experimente umfassen Medien mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften, die durch Rotations- und Schwingungsversuche charakterisiert werden. Die Newton'sche Leistungscharakteristik wird auf skalisierte Systeme mit scherverdünnenden Power-Law-Fluiden bis zu Reynolds-Zahlen von 1000 übertragen. Im Übergangsbereich von zehn bis 100 wurde eine zusätzliche Fließindex-Abhängigkeit der Leistungscharakteristik identifiziert. Die Einführung einer korrigierten Newton-Zahl verbessert die Vorhersage des Leistungsbedarfs erheblich.