E32 Gemischt

Thema

Das Mischen in der Küche umfasst innerhalb desselben Tätigkeitsbereichs alles vom Umrühren einer Soße mit einem Löffel bis zum Schlagen von Sahne mit einem elektrischen Mixer, stets mit dem Ziel, eine Konzentration oder Temperatur zu homogenisieren oder Luft in die Flüssigkeit einzubringen. Die Strömungsform der Flüssigkeit – laminar oder turbulent – ​​bestimmt, welcher Mechanismus beim Mischen dominiert. Erreicht die Flüssigkeit einen turbulenten Zustand anstatt laminar zu bleiben, homogenisiert das Mischen die Flüssigkeit folglich durch einen anderen dominanten Mechanismus.

Die Reynolds-Zahl dieses Mischvorgangs, dieselbe Reynolds-Zahl, die auch ein anderes Modell dieses Systems begründet, vergleicht die durch die Bewegung des Rührwerks in der Flüssigkeit erzeugten Trägheitskräfte mit den viskosen Kräften, die die Flüssigkeit dieser Bewegung entgegenwirkt. Fällt diese Reynolds-Zahl unter einen niedrigen Schwellenwert, bleibt die Flüssigkeitsströmung laminar, und der Mischvorgang schreitet langsam voran, dominiert durch die Überlagerung der Flüssigkeitsschichten. Wenn die Reynolds-Zahl dieses Mischprozesses einen deutlich höheren Schwellenwert überschreitet, wird die Strömung turbulent, und die turbulente Diffusion dominiert. Dies führt zu einem wesentlich effizienteren Mischprozess als die für laminare Strömung charakteristische Schichtung. Eine höhere Reynolds-Zahl steigert die Effizienz des Mischprozesses.

Der Leistungsbedarf dieses Rührwerks skaliert mit seiner Drehzahl und seinem Durchmesser, und zwar überproportional zu einem dieser Parameter: Eine Verdopplung der Drehzahl erfordert deutlich mehr Leistung als eine einfache Verdopplung, und eine Verdopplung des Durchmessers erfordert bei gleichem Mischprozess noch mehr Leistung als eine Verdopplung der Drehzahl. Der Leistungsbedarf dieses Rührwerks hängt zudem sowohl von seiner Geometrie als auch vom Strömungsregime – laminar oder turbulent – ​​ab, in dem sich das Fluid befindet.

In diesem turbulenten Strömungsregime charakterisieren die Kolmogorov-Skalen des Fluids die kleinsten Wirbel innerhalb des Fluids, in denen letztendlich die Dissipation der Mischenergie stattfindet. Bei einer niedrigviskosen Flüssigkeit wie Wasser oder dieser Soße sind die Kolmogorov-Skalen sehr klein, wodurch die Durchmischung bis auf die molekulare Ebene sehr effizient ist. Bei einer viskosen Flüssigkeit hingegen, wie diesem Teig oder diesem Püree, bildet sich keine Turbulenz, und die Durchmischung verläuft folglich langsam. Die höhere Viskosität der zu mischenden Flüssigkeit erschwert die Turbulenzbildung und verlangsamt somit die Durchmischung.

Daher gewährleistet dieses Modell mit seiner spezifischen Reynolds-Zahl für die Durchmischung und den in der ursprünglichen Auslegung verwendeten Kolmogorov-Skalen, dass die Mischungszahl dieses Rührwerks – das Produkt aus Drehzahl und benötigter Mischzeit – für eine gegebene Rührwerksgeometrie annähernd konstant bleibt. Diese Konstanz der Mischungszahl impliziert, dass die Mischzeit umgekehrt proportional zur Drehzahl des Rührwerks ist; eine Verdopplung der Drehzahl halbiert somit die benötigte Mischzeit. Folglich verkürzt eine schnellere Rotation des Rührwerks die erforderliche Mischzeit gemäß der gleichen Konstanz der Mischzahl, allerdings auf Kosten eines deutlich höheren Energieaufwands, wie bereits festgestellt, aufgrund dieser höheren Drehzahl.

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