DE4234440A1 - Zentrifugalkraftsichter - Google Patents
ZentrifugalkraftsichterInfo
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- Combined Means For Separation Of Solids (AREA)
- Centrifugal Separators (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalkraftsichter zur
Trennung von Teilchen (Körnern) unterschiedlicher Größe
und/oder Form und/oder unterschiedlichen spezifischen
Gewichts in eine Grobkorn- und einer Feinkorn-Fraktion, wobei
die Grenzkorngröße unter 3 µm, vorzugsweise unter 1 µm
liegen soll.
Zentrifugalkraftsichter (nachstehend Sichter genannt) sind
in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Die meisten
Sichter eignen sich jedoch nur zur Trennung von relativ
grobkörnigem Material, das heißt deutlich oberhalb der
vorstehend genannten Grenzkorngröße.
In der technischen Keramik, in der Papierindustrie und
anderen technischen Gebieten werden jedoch Feinstteilchen
benötigt, die keinen oder nur einen sehr geringen Teil an
Überkorn aufweisen dürfen. Derartige Feinstteilchen lassen
sich nicht allein durch eine Optimierung des Mahlprozesses
erreichen; vielmehr sind (anschließende) Trennverfahren
notwendig.
In der Zement- und Kalkindustrie sind sogenannte Streuwind
sichter im Einsatz, die jedoch für eine Feinstklassierung
ungeeignet sind. Für diesen Zweck werden unter anderem
Spiralsichter eingesetzt, die jedoch über den Labormaßstab
hinaus bisher keine Bedeutung erlangt haben.
Die bekannten Sichter sind überwiegend aus metallischen
Bauteilen zusammengesetzt und insoweit auch bezüglich ihrer
mechanischen Belastbarkeit begrenzt.
Die Verwendung von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) für
Zentrifugen- und Rotortrommeln ist aus VDI-Z 114 (1972),
1079 bekannt.
Nähere Einzelheiten zur konstruktiven Gestaltung der Zentri
fugen- und Rotortrommel enthält der Aufsatz nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zentrifugal
kraftsichter der eingangs genannten Art zur Feinstkorn
trennung bereitzustellen, mit dem sich Partikel mit einem
Trennkorndurchmesser xt50 < = 3 µm, vorzugsweise < = 1 µm
aus einem Haufwerk abscheiden lassen. Dabei soll der Sichter
so gestaltet sein, daß er möglichst hohe Umfangsgeschwindig
keiten des Rotorteils ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dieses Ziel
durch eine spezielle konstruktive Gestaltung des Sichters in
Kombination mit einer spezifischen Werkstoffauswahl der
einzelnen Sichter-Bauteile erreicht werden kann.
In der allgemeinsten Ausführungsform wird der Sichter durch
folgende Merkmale beschrieben:
- - mindestens zwei, mit Abstand zueinander angeordnete rotationssymmetrische Grundkörper,
- - mindestens einer der Grundkörper ist auf einer koaxial zu seiner Symmetrieachse (die der Sichterachse entspricht) angeordneten Welle drehfest angeordnet,
- - die Grundkörper sind durch mehrere Haltestangen aus faserverstärktem Verbundwerkstoff (nachstehend FVW genannt) untereinander verbunden,
- - eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Lamellen aus FVW erstreckt sich zwischen den Grundkörpern,
- - die Lamellen sind endseitig in den Grundkörpern festgelegt,
- - auf der Umfangsfläche der Grundkörper verlaufen aufgeschrumpfte Halteringe aus FVW.
Der Sichter kann sowohl einseitig, wie beidseitig gelagert
sein. Eine einseitige Lagerung bietet sich für mittlere
Massendurchsätze, eine beidseitige Lagerung für große
Massendurchsätze an.
In jedem Fall wird das zu trennende Gut von außen durch die
zwischen den Lamellen bestehenden Schlitze in das Sichter
innere (den Rotor) hineingeführt, wobei eine möglichst
laminare Strömung zwischen den Lamellen angestrebt wird, um
so eine gegeneinander gerichtete Kräftekombination von
Fliehkraft und Strömungskraft auf die einzelnen Partikel zu
erzeugen. Die in das Rotorinnere strömenden Teilchen
unterhalb der Trennkorngröße werden dann seitlich (in
Axialrichtung des Sichters) aus dem Rotor abgesaugt.
Bei einem einseitig gelagerten Sichter geschieht dies
beispielsweise dadurch, daß der über die Welle angetriebene
Grundkörper als Scheibe gestaltet ist, während der
gegenüberliegende Grundkörper eine Mittenöffnung aufweist,
über die die Absaugung des Feinkorns erfolgt. Bei einem
beidseitig gelagerten Sichter bestehen die Grundkörper
vorzugsweise aus Speichenrädern, so daß das Feinkorn
zwischen den Speichen abgesaugt werden kann. Die Formgebung
der Speichen ist dafür verantwortlich, daß die fliehkraft
bedingten Dehnungen des Grundkörpers keine wesentlichen
Spannungserhöhungen in den Speichen verursachen.
Für die angetriebene Scheibe ist eine besondere
Antriebsverbindung notwendig, die nach einer Ausführungsform
der Erfindung als Welle-Nabe-Verbindung gestaltet ist und
außerhalb des eigentlichen Rotorkörpers liegt. Dabei wird
die Welle vorzugsweise unter Vorspannung auf die Nabe
gezogen und axial, zum Beispiel über Schrauben, fixiert.
Auf diese Weise lassen sich die Tangential- und
Radialspannungen in der Scheibe auf nahezu gleiche Werte
einstellen.
Die Scheibe soll nach einer Ausführungsform der Erfindung
mit unterschiedlicher Dicke (in Axialrichtung des
Rotors betrachtet) ausgebildet sein und sich von innen nach
außen verjüngen.
In Kenntnis der Tatsache, daß der Elastizitätsmodul, die
Dichte, die Ausdehnung und die Festigkeit einen erheblichen
Einfluß auf die mechanische Belastbarkeit der Grundkörper
haben, wurde anhand eines Rechenmodells festgestellt, daß
Grundkörper aus Titan oder Aluminium (bei einer Scheiben
geometrie) beziehungsweise aus einem faserverstärkten
Werkstoff (bei Gestaltung in Form von Speichenrädern) ein
Optimum an mechanischer Belastbarkeit schaffen.
Bei einer Speichengeometrie stellt die an den Speichen
angreifende Zugkraft einen erheblichen Belastungsanteil dar.
Um diesen abzufangen, sieht eine Ausführungsform vor, die
Speichen nicht exakt radial verlaufen zu lassen, sondern im
Kontaktbereich zu dem die Speichen umgebenden Haltering für
die Lamellen durch im wesentlichen tangential verlaufende
Endabschnitte "weicher" zu gestalten.
Eine wesentliche Aufgabe in Bezug auf die Statik des Rotors
übernehmen die eingangs genannten Haltestäbe zwischen den
Grundkörpern. Die Haltestäbe sollen nicht nur die
Grundkörper verbinden und damit das Drehmoment übertragen,
sie haben auch die Aufgabe, einen konstanten Abstand
zwischen den Grundkörpern sicherzustellen und müssen
schließlich Querkräfte und Biegemomente ebenso aufnehmen wie
Eigen-Fliehkräfte und die Strömungslast. Da die Lamellen nur
die Eigenfliehkräfte und die Strömungslasten aufnehmen
können, müssen die aus dem Antrieb resultierenden Kräfte
vollständig von den Haltestäben übernommen werden. Sie haben
insofern einen erheblichen Einfluß auf die Steifigkeit des
Rotors, weshalb eine Ausführungsform der Erfindung vorsieht,
die Haltestäbe im Umfangsbereich der Grundkörper anzuordnen.
Um die genannten Anforderungen zu erfüllen, haben sich
Haltestäbe aus einem Faserverbundwerkstoff als vorteilhaft
herausgestellt, die im "Wickelverfahren" hergestellt wurden.
Die Verbindung der Haltestäbe mit den Grundkörpern erfolgt
vorzugsweise kraft- und formschlüssig, so daß die
Verbindungsstellen etwa die gleiche Steifigkeit wie die
Haltestäbe selbst besitzen. Dabei verbessert die form
schlüssige Verbindung die Übertragung des Drehmoments.
Auch die Konfiguration, Anordnung und Materialauswahl für
die Lamellen hat einen wesentlichen Einfluß auf die
Betriebssicherheit des Sichters und die gewünschte
Reduzierung der Trennkorngröße.
In jedem Fall soll eine laminare Strömung zwischen den
Lamellen erfolgen. Die Lamellen sollen auch leicht
austauschbar sein, um sie zum Beispiel nach Verschleiß
erneuern zu können.
In diesem Sinne haben sich Lamellen aus Faserverbund
Prepregs, insbesondere solche, die nach dem sogenannten
tape-laying-Verfahren hergestellt wurden, als besonders
vorteilhaft herausgestellt. Nach einer Ausführungsform der
Erfindung sollen die einzelnen Schichten der Lamellen eine
Dicke von 50 bis 250 µm und die Lamellen insgesamt eine
Dicke von 2 bis 5 mm aufweisen.
Die einzelnen Schichten sind unidirektional aufgebaut, wobei
der Orientierungswinkel der eingelagerten Fasern zwischen
0 und 30 Grad variieren kann.
Zur Optimierung der laminaren Strömung durch die zwischen
den Lamellen ausgebildeten Schlitze sehen verschiedene
Ausführungsformen der Erfindung vor, benachbarte Lamellen
mit unterschiedlicher Bauhöhe auszubilden, wobei
vorzugsweise eine Lamelle mit größerer Bauhöhe einer
Lamelle mit geringerer Bauhöhe folgt und die Lamellen mit
größerer Bauhöhe weiter in das Rotorinnere vorragen als die
kleineren Lamellen. Der Lamellenabstand entspricht dabei im
wesentlichen der Lamellendicke.
Die äußeren Halteringe haben nicht nur die Aufgabe, die in
korrespondierenden, radialen Schlitzen der Grundkörper
konfektionierten Lamellen zu fixieren, sondern tragen auch
wesentlich zur Stabilisierung der Grundkörper selbst bei.
Sie sollen deshalb ebenfalls aus faserverstärkten Verbund-
Werkstoffen bestehen und werden nach einer Ausführungsform
der Erfindung auf Zwischenringen angeordnet, die in Richtung
der Sichterachse konisch ausgebildet sind, wobei die Dicke
der Zwischenringe vorzugsweise von innen nach außen zunimmt.
Durch ein seitliches Aufschieben der Halteringe werden diese
unter Vorspannung gesetzt und stabilisieren den Rotor
nennenswert.
Als Faserverbundwerkstoffe (FVW) eignen sich faserverstärkte
Kunststoffe ebenso wie faserverstärkte Reaktionsharze. Der
Verbundwerkstoff kann ein glasfaser-, kohlefaser- oder
polymerfaserarmierter Verbundwerkstoff sein, wobei der
Faseranteil im Matrixmaterial zwischen 30 und 70 Gew.-%
beträgt.
Die Durchsatzleistung des Sichters hängt unter anderem von
seiner Größe ab, insbesondere von der Länge und dem Durch
messer des Rotors und damit von seiner Umfangsfläche, an
welcher die Sichtung stattfindet. Ein Durchmesser zu
Längenverhältnis des Sichters von 3 : 1 bis 1,5 : 1 hat
sich als besonders günstig herausgestellt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen
Anmeldungsunterlagen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs
beispieles näher erläutert. Dabei zeigen - in
schematisierter Darstellung
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Zentrifugalkraftsichter,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie X-X von
Fig. 1.
Der Sichter nach Fig. 1 besteht aus einem ersten,
scheibenförmigen Grundkörper 10 mit einer nach außen (in der
Figur nach links) vorstehenden Nabe 12. Die Scheibe 10 ist
rotationssymmetrisch zur Sichterachse A und ihre Dicke nimmt
von innen nach außen ab.
Beabstandet zur Scheibe 10 verläuft ein zweiter Grundkörper
14, der ebenfalls eine Scheibenform aufweist, jedoch mit
einer Mittenöffnung 16, an der eine Absaugeinrichtung für
Feinkorn (unterhalb der Trennkorngröße) angeschlossen ist
(nicht dargestellt).
Die Scheiben 10, 14 sind durch insgesamt vier Haltestäbe 18
miteinander verbunden, die in entsprechenden Aufnahmen der
Scheiben 10, 14 radial verschraubt sind, wie sich aus der
Zusammenschau der Fig. 1 und 2 ergibt. Dabei zeigt Fig.
2, daß die Haltestäbe jeweils im Winkel von 90 Grad
zueinander versetzt verlaufen.
Während die Scheiben 10, 14 aus Aluminium bestehen, sind die
Haltestäbe 18 aus einem gewickelten Verbundwerkstoff aus
Kunststoff und Kohlefasern hergestellt.
Zwischen den Haltestäben 18 verlaufen eine Vielzahl von
Lamellen 20′, 20′′, und zwar hier insgesamt 100 Stück. Die
Lamellen 20′, 20′′ sind in korrespondierenden Schlitzen in
der Umfangsfläche der Scheiben 10, 14 konfektioniert und
dort festgeklebt. Die Lamellen 20′ unterscheiden sich von
den Lamellen 20′′ durch eine größere Bauhöhe, wobei die
größeren Lamellen die kürzeren Lamellen nach unten (nach
innen) in Richtung auf die Sichterachse A überragen. Die
Lamellen 20′, 20′′ sind abwechselnd konfektioniert. Sie
bestehen aus Faserverbundprepregs, die im tape-laying-
Verfahren hergestellt wurden, wobei die einzelne Prepreg
schicht eine Dicke von ca. 200 µm aufweist und jede Lamelle
aus ca. 15 Schichten zusammengesetzt ist.
Die Lamellen 20′, 20′′ verlaufen exakt radial zur Sichter
achse A. Durch die unterschiedliche Bauhöhe wird die
Strömung, die sich zwischen den Lamellen aufbaut, weit in
das Zentrum des Sichters (in Richtung auf die Sichterachse
A) geführt, wodurch Druckverluste vermindert werden. Die
Verwendung des Faserverbundwerkstoffes ermöglicht eine
geringere Dichte der Lamellen, wodurch die Belastung in den
Scheiben 10, 14 des Rotors deutlich herabgesetzt wird.
Sowohl die Lamellen 20′, 20′′ als auch die Haltestäbe 18
werden umfangsseitig von Halteringen 22′, 22′′ eingefaßt,
wobei Fig. 1 zeigt, daß dies jeweils unter
Zwischenschaltung eines schmalen Ringes 24 erfolgt, der von
innen nach außen eine ansteigende Dicke aufweist. Hierdurch
werden beim Aufschieben (von innen nach außen) der Halte
ringe 22′, 22′′ Vorspannungen erzielt, die den Rotor
insgesamt und vor allem die Lamellen 20′, 20′′ und die
Haltestäbe 18 in besonders vorteilhafter Weise fixieren.
Die Halteringe 22′ und 22′′ bestehen aus kohle
faserverstärktem Kunststoff, die Zwischenringe 24 bestehen
aus Metall. Die Nabe 12 weist eine axiale Gewindebohrung 26
an ihrem freien Ende auf, und ist in Richtung auf das
Rotorinnere konisch erweiternd ausgeführt. Auf diese Weise
kann eine korrespondierende Antriebswelle (nicht
dargestellt) unter Vorspannung auf die Nabe 12 aufgeschoben
werden (aufgeschrumpft werden), wobei eine zusätzliche
Fixierung durch eine axiale Verschraubung in der axialen
Gewindebohrung 26 erfolgt.
Die Funktionsweise des Sichters ist wie folgt: Das zu
trennende Gut, zum Beispiel vorgemahlene Keramikpartikel im
Korngrößenbereich < 5 µm strömt um den Sichter herum. In
Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Sichters
sowie seinem konstruktiven Aufbau läßt sich eine bestimmte
Trennkorngröße (hier: 1 µm) einstellen, so daß Teilchen mit
einem mittleren Teilchendurchmesser unter 1 µm durch die
zwischen den Lamellen 20′, 20′′ ausgebildeten Schlitze in
das Rotorinnere strömen und dort schließlich über die
Mittenöffnung 16 seitlich abgesaugt werden.
Versuche haben gezeigt, daß sich aufgrund der erfindungs
gemäßen Konstruktion und Werkstoffauswahl Trennkorngrößen
sogar unterhalb von 0,5 µm realisieren lassen.
Claims (18)
1. Zentrifugalkraftsichter mit folgenden Merkmalen:
- 1.1 mindenstens zwei, mit Abstand zueinander angeordneten, rotationssymmetrischen Grundkörpern (10, 14),
- 1.2 die Grundkörper (10, 14) sind durch mehrere Haltestangen (18) aus Faserverbundwerkstoff untereinander verbunden,
- 1.3 mindestens ein Grundkörper (10) ist auf einer koaxial zu seiner Symmetrieachse A angeordneten Welle drehfest angeordnet,
- 1.4 eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Lamellen (20′, 20′′) aus einem Faserverbund werkstoff erstreckt sich zwischen den Grundkörpern (10, 14),
- 1.5 die Lamellen (20′, 20′′) sind endseitig in den Grundkörpern (10, 14) festgelegt,
- 1.6 auf der Umfangsfläche der Grundkörper (10, 14) verlaufen aufgeschrumpfte Halteringe (22′, 22′′) aus Faserverbundwerkstoff.
2. Sichter nach Anspruch 1, bei dem die Grundkörper (10,
14) scheibenförmig gestaltet sind.
3. Sichter nach Anspruch 1 oder 2 mit einseitiger
Lagerung, bei dem die auf der Welle angeordnete Scheibe
(10) geschlossen und die weitere Scheibe mit einer
Mittenöffnung (16) ausgebildet ist.
4. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die
Verbindung von Welle und korrespondierender Nabe (12) am
Grundkörper (10) außerhalb des zwischen den Grundkörpern
(10, 14) ausgebildeten Rotors erfolgt.
5. Sichter nach Anspruch 4, bei dem die Verbindung als
Kegelschrumpfverband mit Außenkegel am Grundkörper (10)
ausgebildet ist.
6. Sichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit
zweiseitiger Lagerung, bei dem die Grundkörper als
Speichenräder ausgebildet sind.
7. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die
Grundkörper (10, 14) aus Titan, Aluminium,
einschließlich deren Legierungen oder einem Faser
verbundwerkstoff bestehen.
8. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem sich
die Dicke (senkrecht zur Sichterachse (A) betrachtet)
zumindest des angetriebenen Grundkörpers von innen nach
außen verjüngt.
9. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die
Haltestäbe (18) im Umfangsbereich der Grundkörper (10,
14) verlaufen.
10. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die
Haltestäbe (18) aus einem gewickelten Faserverbund
werkstoff bestehen.
11. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem
Haltestäbe (18) auf die Grundkörper (10, 14)
aufgeschraubt sind.
12. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die
Lamellen (20′, 20′′) exakt radial zur Mittenlängsachse
(A) des Sichters ausgerichtet sind.
13. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem
benachbarte Lamellen (20′, 20′′) eine unterschiedliche
Bauhöhe aufweisen.
14. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem sich
jeweils eine Lamelle (20′) größerer Bauhöhe mit einer
Lamelle (20′′) geringerer Bauhöhe abwechselt, wobei
die Lamellen (20′) mit größerer Bauhöhe weiter in den
Innenraum des Sichters (Rotors) vorragen.
15. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die
Lamellen (20′, 20′′) aus Faserverbundprepregs bestehen.
16. Sichter nach Anspruch 15, bei dem die einzelnen
Schichten der Faserverbund-Prepregs eine Dicke von
50 bis 250 µm und die Lamellen insgesamt eine Dicke von
2 bis 5 mm aufweisen.
17. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die
Halteringe (22′, 22′′) jeweils auf einem in Richtung der
Sichterachse (A) konisch ausgebildeten Zwischenring (24)
aufsitzen.
18. Sichter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das
Durchmesser-Längenverhältnis des Sichters 3 : 1
bis 1,5 : 1 beträgt.
Priority Applications (1)
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DE19924234440 DE4234440C2 (de) | 1992-10-13 | 1992-10-13 | Zentrifugalkraftsichter |
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