Nutzung von Lorentzkräften für Mischprozesse in der Chemie- und Glasindustrie

Torres Perez, Jose Oskar

Gegenwärtig werden in der Glas- und Chemieindustrie mechanische Rührer zum Mischen, Homogenisieren und zur Fluidbewegung eingesetzt. Nachteile sind der mechanische Verschleiß und die damit verbundene Verunreinigung des Fluids - insbesondere bei chemisch korrosiven Fluiden und höheren Temperaturen (Schmelzen). Hinzu kommt, dass die Strömungsbeeinflussungen örtlich limitiert sind. In elektrisch leitfähigen Fluiden kann die Lorentzkraft mechanische Rührer ersetzen. Ziel ist es, mittels Simulationen und Experimenten zu zeigen, dass die Lorentzkraft die Strömung von Glasschmelzen trotz ihrer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit und großen Viskosität beeinflussen kann. Dazu ist es erforderlich, den Wärme- und Stofftransport in schwach Ionen leitfähigen Fluiden, wie Glasschmelzen und Salzlösungen, unter dem Einfluss von elektrischen und magnetischen Feldern zu modellieren sowie die dafür notwendigen Elektroden- und Magnetsysteme für Anwendungen in der Chemie- und Glasindustrie auszulegen und deren Design zu optimieren. Die Bearbeitung erfolgt in drei anwendungsnahen Projekten. Im Projekt I zeigte sich, dass in laminar strömenden, hochviskosen Fluiden mit einer Drei-Elektroden-Anordnung und mit einem axialen Magnetfeld schon die erforderlichen Streckungen und Faltungen von Inhomogenitäten erzeugt werden, aus denen sich Mischungsgrade ergeben, die von mechanischen Rührzellen erzielt werden. Die Simulationsergebnisse wurden mit Experimenten überprüft und dann auf reale Anordnungen übertragen. Im Projekt II wurden mit numerischen Studien für einen realen Färbefeeder die optimale Anordnung von aus in die Glasschmelze hineinragenden Elektroden und dazwischenliegenden, aber im Isoliermaterial des Feederbodens angeordneten Spulen und deren Betriebsparameter ermittelt. Die Elektroden-Spulen-Anordnung erzeugt in der Glasschmelze eine Lorentzkraftverteilung, die die Sedimentation der Fritten (in Glas gelöste Metalloxide) reduziert und die Einströmbedingungen in die Rührzone verbessert. Im Projekt III wurde eine ausreichende Fluidbewegung einer wässrigen Salzlösung bereits mittels zwei Elektroden und eines extern erzeugten magnetischen Feldes erzeugt. Zur Bewertung der Mischverhältnisse waren geeignete Turbulenzmodelle zu prüfen, da die Strömung turbulent ist.

Currently, mechanical stirrers are used for mixing and homogenizing fluids in the glass and chemical industries. Disadvantages are the mechanical wear and the associated contamination of the fluid, particularly in corrosive fluids and in high temperatures. In addition, the influences on the flow are locally limited. In conducting fluids, the mechanical stirrer can be replaced by the Lorentz force. The aim of this work is to show by means of simulations and experiments that the Lorentz force can influence the fluid flow in spite of its low electrical conductivity and high viscosity in the case of molten glass. For this purpose, it is necessary to model the heat and mass transport in weakly ionic conductive fluids such as molten glasses and salt solutions, under the influence of electric and magnetic fields. Also, it is necessary to design and to optimize the electrode and magnetic systems for applications in the chemical and glass industries. This PhD thesis is divided in three research projects. The project I, shows that in laminar flow, highly viscous fluids can be stretched and folded by the Lorentz force with an arrangement of three electrodes and an axial magnetic flux density of 28 mT, obtaining similar blending levels as achieved with a mechanical stirring cell. The simulation results are validated with experiments and then transferred to a real configuration. The project II, shows that the Lorentz force can be used to prevent the sinking process of the frits (dissolved metal oxides used to color the glass) within the molten glass flow, reducing the sedimentation and also enhancing the input flow condition of the stirring battery used to homogenize the color. For that purpose, an optimal arrangement of three electrodes and two coils are used. The numerical model of a real forehearth coloring is validated with temperature measurements in the molten glass as well as on the surface of the structure. The project III, shows that the Lorentz force can be used to create a main azimuthal flow in turbulent regime of an aqueous salt solution. For that purpose, and arrangement of two electrodes and an axial magnetic flux density of 10 mT is used. To evaluate the mixing process, several turbulence models are examined.

Zitieren

Zitierform:

Torres Perez, Jose Oskar: Nutzung von Lorentzkräften für Mischprozesse in der Chemie- und Glasindustrie. Ilmenau 2017.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export