Technische Rheologie in Beispielen und Berechnungen E-Book

Rüdiger Worthoff

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 144

Veröffentlichungsjahr: 2013

Beschreibung

In der chemisch-technischen Industrie werden zunehmend Stoffe verarbeitet, die besondere viskoelastische Eigenschaften aufweisen und sich gegenüber "normalen" Newtonschen Flüssigkeiten außergewöhnlich verhalten. Hierzu gehören u.a. Lösungen und Schmelzen polymerer Medien, hochmolekulare Öle und verschiedene Suspensionen. Diese Substanzen stellen oft eine Herausforderung für die Förderung und Verarbeitung in Apparaten und Anlagen dar.

Mit diesem Praktikerbuch gibt Rüdiger Worthoff dem Leser ein Werkzeug an die Hand, das es ihm ermöglicht, das Stoffverhalten in der Praxis mittels mathematischer Berechnungen einzuschätzen. Nach einer kurzen Einführung der theoretischen Grundlagen werden anhand von konkreten Fragen und Antworten die Probleme der modernen technischen Rheologie und deren Berechenbarkeit erörtert. Das Kapitel Rheometrie behandelt die Messtechniken und Bestimmung rheologischer Parameter. Die anderen Kapitel widmen sich den Strömungen in verschiedenen Geometrien. Die Vorstellung thermischer Effekte und Wärmeübertragungsprozesse in der Rheologie runden den Inhalt ab. Ein Glossar am Buchende sowie Verständnisfragen und Lösungen zu jedem Kapitel helfen das Gelernte zu vertiefen.

Unentbehrlich für jeden Chemieingenieur, Verfahrenstechniker und Kunststofftechnologen in Studium und Beruf.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Wichtige Formelzeichen

Teil I Theoretische Grundlagen der Rheologie

1 Theoretische Grundlagen

Teil II Technische Anwendungen der Rheologie

2 Allgemeine Grundbegriffe

2.1 Ableitungen

2.2 Materielle Objektivität

2.3 Bilanzen in algebraischer Darstellung

2.4 Die Massenbilanz in Koordinatenform

2.5 Die Impulsbilanz in Koordinatenform

2.6 Symmetrie des Spannungstensors

2.7 Temperatur- und Druckabhängigkeit der Viskosität

2.8 Scheinbare Viskosität

2.9 Repräsentative Viskosität

2.10 Repräsentativer Radius bei Rohrströmungen

2.11 Dehnviskosität

2.12 Volumenviskosität

2.13 Fließmodelle

2.14 Kriechfunktion und Relaxationsfunktion

2.15 Instationäres Fließen

2.16 Jeffreys-Oldroyd-Substanz bei Schichtenströmungen

3 Rheometrie

3.1 Rohr-Rheometer

3.2 Couette-Rheometer

3.3 Kegel-Platte-Rheometer

3.4 Kugel-Kugel-Rheometer

3.5 Scheiben-Rheometer

4 Rohrströmung

4.1 Ostwald-de-Waele-Fluide

4.2 Rabinowitsch-Fluide

4.3 Prandtl-Eyring-Fluide

4.4 Bingham-Substanzen im waagrechten Rohr

4.5 Bingham-Substanz in senkrechtem Rohr

4.6 Newtonsche Fluide im koaxialen Ringrohr

4.7 Ostwald-de-Waele-Fluide im koaxialen Ringrohr

4.8 Bypass mit Potenzflüssigkeit

4.9 Blutströmung

4.10 Repräsentative Viskosität für Fließgesetze

4.11 Druckverlustrechnung eines Potenzfluids

4.12 Pumpleistung für eine Bingham-Substanz

4.13 Elementare Berechnung der repräsentativen Viskosität

4.14 Pipelinekalkulation

4.15 Maxwell-Fluide

4.16 Freistrahl

4.17 Rohrströmung bei poröser Wand

4.18 Drahtisolierung

4.19 Kennzahlen für eine Rabinowitsch-Flüssigkeit

4.20 Scale-up

5 Strömungen in Rührwerken

5.1 Zylinderrührwerk

5.2 Bingham-Substanz

5.3 Prandtl-Eyring-Flüssigkeit

5.4 Auslaufvorgang

5.5 Elementare Leistungsberechnung

5.6 Rührkesselreaktor

5.7 Lagerkräfte

5.8 Modellübertragung

5.9 Scale-up

6 Strömungen in unterschiedlichen Geometrien

6.1 Strömung zwischen parallelen Ebenen

6.2 Radialströmung in einem Scheibenspalt

6.3 Ostwald-de-Waele-Fluide auf schiefer Ebene

6.4 Bingham-Flüssigkeit auf schiefer Ebene

6.5 Strömung durch eine Kreisdüse

6.6 Strömung durch eine Breitschlitzdüse

6.7 Repräsentative Werte für den Rechteckkanal

6.8 Bingham-Substanz in Extrudern

6.9 Rabinowitsch-Flüssigkeit in Extrudern

6.10 Extruderwerkzeuge

6.11 Kalanderströmung

6.12 Strömung durch eine hyperboloidische Verengung

6.13 Strömung durch einen Hyperbelspalt

7 Wärmeübertragungsprobleme an rheologischen Medien

7.1 Wärmeübergang von einer beheizten Behälterwand an eine Rabinowitsch-Flüssigkeit

7.2 Wärmeübergang von einer beheizten Rohrwand an eine durchströmende Prandtl-Eyring-Flüssigkeit

7.3 Wärmeübertragungscharakteristik für Ostwald-de-Waele-Flüssigkeiten in beheizten Rohren

7.4 Wärmeübertragungscharakteristik für Bingham-Substanzen in beheizten Rohren

Glossar

Literatur

Antworten auf die Fragen zur Selbstkontrolle

Index

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Wegener, E.

Planung eines

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Ganzheitliche Aufgabenlösung bis zur

Instandsetzung eines

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2013

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Worthoff, R., Siemes, W.

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Verfahrenstechnik

Mit Aufgaben und Lösungen, Dritte,

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2012

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Shaw, M.T.

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Kontopoulou, M. (Hrsg.)

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Tadros, T.F.

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Autor

Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Worthoff

Aachen

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Print ISBN 978-3-527-33604-3

ePDF ISBN 978-3-527-67554-8

ePub ISBN 978-3-527-67556-2

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Umschlaggestaltung Blue Sea Design, Simone Benjamin, McLeese Lake, Canada

Satz le-tex publishing services GmbH, Leipzig

Druck und Bindung Markono Print Media Pte Ltd, Singapore

Vorwort

Fast alle Apparate und Anlagen der chemischen Technologie sind durchströmt oder erzeugen selbst Strömungen. Dabei zeigen die zu verarbeitenden Medien im Fall einer Flüssigkeitsströmung oft ein nichtnewtonsches Verhalten. Insbesondere durch viskoelastische Eigenschaften werden Strömungsanomalien erzeugt, die den Produktionsablauf entscheidend stören können. Auch das im Allgemeinen nichtlineare Stoffverhalten der beschreibenden Parameter hat beispielsweise bei der mathematischen Lösung der Bilanzgleichungen zu einer hohen Komplexizität beigetragen. Hinzu kommt, dass rheologische Substanzen oft ein Erinnerungsvermögen an Belastungs- und Strömungszustände der Vergangenheit entwickeln. Dies hat zu einer allgemeinen Forschungstätigkeit auf dem Feld der theoretischen Rheologie geführt. In diesem Buch wird – nach einer kurzen Zusammenfassung der theoretischen Grundlagen – die „Technische Rheologie“ in Fragen und Antworten abgehandelt, wobei das Ziel ist, eine praxisnahe und anschauliche Darstellung über das Stoffverhalten zu geben. An Hand ausgewählter Beispiele soll der Lehrstoff verdeutlicht werden. Dabei wird ausgiebig Wert auf die mathematische Behandlung von Anwendungsproblemen gelegt. Schließlich muss der Ingenieur vor Ort rheologische Probleme nicht nur qualitativ beurteilen, sondern Apparate und Anlagen mit rheologisch komplexen Fluiden auslegen und optimieren können. Das Buch versucht die Kenntnisse hierzu zu vermitteln. Die Beispiele sind auf dem Niveau von Klausuraufgaben. Sie eignen sich darum auch zur Examensvorbereitung für Studierende an TechnischenUniversitäten und Fachhochschulen, insbesondere der Kunststoffverarbeitung, der Verfahrenstechnik und des Chemieingenieurwesens.

Aachen, 2013

R. Worthoff

Wichtige Formelzeichen

a

isotroper Druck (Pa)

a

1. Rabinowitsch-Parameter (Pa)

c

2. Rabinowitsch-Parameter (s

–

1

)

c

p

,c

v

spez. Wärmen (m

2

s

–3

K

–1

)

d

Durchmesser (m)

Einheitsvektor

g

Erdbeschleunigung (m s

–

2

)

h

Höhe (m)

ħ

plancksche Konstante (W s

2

)

k

Konsistenzfaktor (Pa s

m

)

k

boltzmannsche Konstante (W s K

–1

)

l

Länge (m)

m

Fließindex

n

Drehfrequenz (s

–

1

)

Normalenvektor

p

Druck (Pa)

Volumenstrom pro Breiteneinheit (m

2

s

–

1

)

r

Radialkoordinate (m)

t

Zeitkoordinate (s)

v

Partikelgeschwindigkeit (m s

–

1

)

mittlere Geschwindigkeit (m s

–

1

)

x,y,z

Koordinaten (m)

A

1. Prandtl-Parameter (Pa)

B

Breite (m)

Bu

Buckingham-Kennzahl

C

2. Prandtl-Parameter (s

–

1

)

D

Durchmesser (m)

Deformationsgeschwindigkeitstensor (s

–

1

)

E

Elastizitätsmodul (Pa)

F

Kraft (N)

Fr

Froud-Kennzahl

H

Höhe (m)

I

Impuls (N s)

I

j

Tensor-Invarianten

L

Länge (m)

M

Drehmoment (N m)

R

fester Radius (m)

R

allgemeine Gaskonstante (J kg

–

1

K

–

1

)

Re

Reynolds-Kennzahl

Sp

Spur eines Tensors

T

absolute Temperatur (K)

Verzerrungstensor

Volumenstrom (m

3

s

–

1

)

Rotationstensor

α,β,φ

Winkel

γ

Scherwinkel

Deformationgeschwindigkeit (s

–

1

)

ε

Dehnung

η

dynamische Viskosiät (Pa s)

η

P

plastische Viskosität (Pa s)

η

S

scheinbare Viskosität (Pa s)

η

rep

repräsentative Viskosität (Pa s)

λ

Wärmeleitfähigkeit (W m

–

1

K

–

1

)

ξ

Rohrreibungskennzahl

ρ

Stoffdichte (kg m

–

3

)

Spannungstensor (Pa)

τ

Schubspannung (Pa)

τ

R

Wandschubspannung (Pa)

τ

0

Grenzschubspannung (Pa)

zylindrische Koordinaten

ω

Winkelgeschwindigkeit (s

–

1

)

∇

Nabla-Operator

Δ

Differenz

totale zeitliche Ableitung (s

–1

)

partielle zeitliche Ableitung (s

–1

)

substanzielle zeitliche Ableitung (s

–1

)

materielle zeitliche Ableitung (s

–1

)

Teil I

Theoretische Grundlagen der Rheologie

1

Theoretische Grundlagen