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Verfahren und Einrichtung zum Bewegen, Aufbereiten oder Behandeln
von körnigen Stoffen
Zur Aufbereitung oder Behandlung körniger oder grießförmiger
Stoffe verwendet z. B. die Müllereiechnik in vielfacher Form ausschließlich oder
hilfsweise Luftströmungen, welche in geeigneter Richtung und Stärke durch das Gut
hindurchgeleitet werden. In der Windsichtung erfolgt eine Trennung nach unterschiedlichen
»Flugkoeffizienten«. Ruhende oder bewegte Siebe dagegen, die nur leicht besaugt
werden, trennen die Gutpartikel nach Größe und Form. Es ist dabei bekannt, daß in
Abhängigkeit von der Schichthöhe beim bewegten Sieb Unterschiede im spezifischen
Gewicht der einzelnen Teilchen den Siebeffekt beeinflussen.
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Noch deutlicher tritt der Einfluß ungleichen spezifischen Gewichtes
dann in Erscheinung, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der von unten nach oben durch
Sieb und Gutschicht hindurchstreichenden Luft so weit gesteigert wird, daß die verbindenden
Kräfte innerhalb der Teilchen aufgehoben werden und das Bett zu »fließen« beginnt;
die leichteren Teilchen können obenauf »schwimmen«; Siebung und Sichtung überlagern
sich.
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Dabei sind die Vorgänge und Wirkungen bei den gebräuchlichen Apparaturen
bisweilen nicht mehr eindeutig zu beherrschen.
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Die sichere Funktion der Anlagen ist gefährdet und geht oft verloren,
wenn drlle Luft an irgendeiner Stelle durch die Schicht durchbricht und durch diese
Gasse ausweicht. Gerade bei großen Windgeschwindigkeiten stellen sich jedoch leicht,
bis-
weilen unterstützt durch Verschiebungen des Bettes, solche
Durchbrüche ein.
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Ist nun die Neigung der luftdurchlässigen Unterlage (Sieb, Rost od.
dgl.) kleiner als der natürliche Schütfwinkel des Gutes, so bleibt das Material
liegen, der Durchlauf stockt.
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Es ist bekannt, daß man selbst bei verhältnismäßig grobkörnigem und
inhomogenem Gut, wie ungereinigtes Getreide, dem Bestreben der Luft, sich Kanäle
oder Durchbrüche zu schaffen und durch sie auszuweichen, mit gewissem Erfolg dadurch
begegnen kann, daß man als luftdurch.-lässige Unterlage poröse Steine oder dichte
Gewebe od. dgl. verwendet. Allein, derartige vorgeschaltete »Gitter« besitzen einen
hohen Eigenwiderstand und verbrauchen deshalb zusätzliche Antriebsenergie am Lüfter.
In staubhaltiger Luft legen sich die feinen Poren Schnel zu, und auf eine Siebwirkung
muß ohniehin verzichtet werden Bekanntlich ist bisweilen, z. B. gerade in der Müliereitechnik,
eine intensive Bespülung des Gutes als sogenannte »Luftwäsche« auch in Verbindung
mit Siebung und Sichtung sehr erwünscht. Die sogenannte pneumatische Getreidereiningung
z. B. wurde ermöglicht durch die Anwendung hoher Relativgeschwindigkeiten zwischen
Gut und Luft.
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Das nachfolgend beschriebene; die Erfindung aufzeigende Verfahren
mag - im Gegensatz zu bekannten Einrichtungen, in welchen die Aufbereitung des Gutes
bei hoher Luftgeschwindigkeit dadurch erstrebt wird, duß die Gutteilchen zu einer
»Wolke« aufgestäubt werden, sowie zum Unterschied. gegenüber bekannten »staubfließtechniscbe.n«
Verfahren, bei welchen ein flüssiges oder gasförmiges Mittel mit solcher Geschwindigkeit
und Menge durch das Gut hindurchströmt, daß dabei eine ruhende oder wandernde Schüttgutschicht
entsteht # als » schrittweise wandernde Durchbruchschicht« bezeichnet werden.
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Nach einem Merkmal der Erfindung ist die Durchlaufbewegung des Gutes
durch die Förderrinne bzw. das. »Fließbett« od. dgl. nicht eine stetige oder fließende,
sondern eine notwendigerweise instationäre, schrittweise ausgreifende oder rollende,
mit in Bahnrichtung periodisch und in der Regel gleichsinnig durch die Schicht als
fluktuierende Aufwallung sich fortpflanzenden Dichteunterschieden; der Durchlauf
des Gutes kann' also etwa mit der Bewegung einer fortschreitenden Welle in einer
Flüssigkeit verglichen werden.
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Naturgemäß ist deshalb auch die Bewegung der im Kreuzstrom durch
die Gutschicht hindurchstreichenden Luft eine zeitlich und örtlich instationäre;
im gleichen Zeitpunkt variiert ihre Geschwindigkeit über die Fläche des Bettes oder
der Förderrinne hinweg zwischen einem Maximalwert, der in der Regel an der Untergrenze
der Schicht erheblich größer sein kann als die Schwebegeschwindigeit eines Vergleichskornes,
und. einem Minimalwert, der im Grenzfalie gegen Null gehen kann.
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An Orten großer Luftgeschwindigkeit werden die Gutpartikel vom Luftstrom
mitgenommen, und je nach dessen Stärke aufgewirbelt oder aufgestäubt, während zur
gleichen Zeit neben dem Luftdurchbruch die Luftgeschwindigkeit so gering sein kann,
daß das Gut in natürlicher Packung verharrt.
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Es können daher immer eutllich unterscheidbare fließtech'niscbe Zustände
zur gleichen Zeit und nebeneinander im gleichen Bett bzw. in der gleichen Förderrinne
beobachtet werden; der Aufströmzustand der Schicht ist also ein inhomogener.
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Mit der Luftges'chwindigkei't varilert naturgemäß auch die Reynoldsche
Zahl, und dieser Wechsel Bekundet bekanntlich, daß die am Korn angreifenden Flüssigkeitskräfte
gerade in dem fraglichen Bereich sich nicht nur in ihrer Größe, sondern auch in
ihrer Art und, Zusammensetzung ändern.
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Die Elastizität des FeststofF-Gas-Gemisches ist in der Zone, in weicher
das Gut von den Luftkräften erfaßt und dabei holchgetragen wird, naturgemäß eine
andere als in der Zone der ruhenden Schüttgutschent. In der ruhenden oder nur leicht.
angeockerten. Schicht berühren die Partikel ein an-der, jeder Anstoß und jede Schwingung
werden durch die. starke Reibung sofort gedämpft oder geschluckt.
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Während man im allgemeinen bei den bekannten staubfliejtechnischen
Verfahren, insbesondere in der Wirbelchichttechnik, kleine Kanal durchbrüche als
störende Begleiterscheinungen betrachtet und große zu vermeiden sucht, weil sie
den kontinuierlichen. Bettes gefährden, werden nach dem aufgezeigten Verfahren derartige
Durchbrüche gerade mit Absicht hervorgerufen und mit Plan geteuert und bei der Anwendung
des Verfahresn den jeweiligen Erfordernissen angepaßt.
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In der absatzweise (das ist ohne fortwährende Gutbeschickung und
-abfuhr) betriebenen Schüttgutschicht oder Wirbelschicht können derartige Durchbrüche
in einfacher Weise schon dadurch erzwungen werden, daß unter dem (waagerechten)
sibe od. dgl., auf dem das Gut lastet, hinreichend von einem Luftstrom beaufschlagte
Düsen oder Schlitze od. ä. auf mechanische Art vorbeibewegt werden. Zum gleichen
Zweck kann die Luft ebenso durch Trichter, Schlitze usw., die über die Schicht hinwegs-treifien,
abgesaugt werden.
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Auf solche Art läßt sich zwar das Ziel erreichen, daß das Gut in
geordineter Weise durchgemischt und in Verbindung damit gegebenenfalls besonderen
Aufbereitungs- odir Behandlungsvorgängen unterworfen wird, so, wenn eine Reinigung
oder Entstaubung des Gutes bei hoher Luftgeschwindigkeit beabsichtigt ist oder wenn,
eine schnelle und sichere Verteilung von Wärmemengen, die an festen Wänden durch
Kontakt mit dem Gut getauscht werden, erstrebt wird. Der technische Fortschritt,
den die Erfindung bringt, ist jedoch in diesem Fall durch den Übergang von der willkürlich
entstehenden und unwillkommenen Kanalbildung zum planmäßig erzeugten und fortbewegten
Luftdurchbruch im allgemeinen noch nicht gegeben.
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Erst in der fortlaufend beschickten Schicht kommt die Erfindung richtig
zur Geltung, wenn mittels des Durchbruches nicht nur die (im wesent-
lichen)
vertikale Mischbewegung, sondern zugleich der horizontale »Vorschub« des Gutes gesteuert
wird; dabei wird nämlich nach der Erfindung der Luftdurchbruch und die ihm eigene
Aufströmung des Gutes als Instrument dazu benutzt, um selbst bei einem Schüttgut,
das ob seiner (groben) Körnung oder ob seiner inhomogenen Zusammensetzung beim Aufströmen
keinen sicheren und hinreichend gleichmäßigen Fließzustant mehr erbringt und demzufolge
einer Behandlung oder Aufbereitung in einer Wirbelfießschicht widérsteht, noch einen
geordneten, schrittweisen Durchsatz des Gutes zu bewerkstelligen.
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Die bisher gebräuchliche gleichzeitige Aufströmung und Behandlung
der gesamten Schicht wird im erfindungsgemäßen Verfahren aufgehoben und durch eine
taktmäßige Folge von einzelnen Arbeitsgängen ersetzt.
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Eine wesentliche Aufgabe der zuströmenden Luft, die im engen Bereich
des Durchbruches zusammengefaßt wird, besteht darin, daß sie die gerade erfaßbare
Gutmenge von der festen Unterlage hochzuschleudern oder hochzutragen hat. Die Strömung
der Luft im trichterförmig sich erweiternden Durchbruch ist durch unterschiedliche
Querschnitte charakteristert ; zur Arbeitsleistung wird demgemäß zum erheblichen
Teil außer der Druckenergie auch die Geschwindigkeitenergie der Strömung herangezogen.
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Auch noch an den trichter ähnlichen Abgrenzungen des strahlargien
Durchbruches werden strömungsnahe Gutschichten von der aufströmenden Luft aufgelockert
und zum »Fließen« gebracht.
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Die Konzentration an Feststoff ist dort um ein Vielfaches größer als
im Kern des Luftdurchbruches. Die Folge ist, daß an der Begrenzung des Durchbruches
die Partikelschicht auf Grund ihrer Schwere nach unten drückt und daß die seitliche
Druckkomponente dieser Gutsäule den Durchbruch an der Entstehungsstelle, also unmittelbar
über der luftudurchlässigen Unterlage, abzudros seln versucht.
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Hier, im engsten Querschnitt, werden' die nachdrückenden Gutteilchen
vom Luftstrahl angesaugt und hochgeschleudert. Bei abnehmender Strömungsgeschwindigkeit
- im freien Raum über der Schicht - fallen die Partikel wieder aus dem Luftstrom
aus und lagern sich in der Umgebung des $Triechtuerrandes auf die Schicht und gleiten
erneut nach unten. Die vom Durchbruch erfaßten Gutpartikel werden demnach gewissermaßen
im Kreislauf umgewirbelt und' dabei intensiv durchgemischt.
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Es ist ersichtlich, daß die Gutpartikel im Verlauf dieser Bewegung,
vor allium an den Trennflächen in der Zone des engsten Querschnittes, Relativgeschwindigkeiten
ausgesetzt sind, die erheblich höher sind als die Schwebegeschwindigket.
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Seine bescondere Aufgabe, das Gut durch die Förderrinne bzw. das
Fließbett hindurch zuleiten, kann der Durchbruch noch nicht erfüllen, solange er
am Entstehungsorte verharrt oder solange die Partikel, die vom Luftstrahl hochgetragen
und abgeworfen werden, - wleaa auch in anderer Vermischung - doch wieder an der
ursprünglichen Stelle zu liegen kommen.
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Die Erfindung geht bei der Lösung des TTansportproblems von der Erkenntnis
aus, daß der » ortsfeste « Durchbruch (mitsamt seiner Berandung) als ein in sich
geschlossenes System zu betrachten ist, in dem sich zwischen Luftstrahl und Gutbewegung
ein dynamischer Gleichgewichtzustand einstell bzw. einpendalt, und daß dieses Gleichgewicht
durch eine »äußere Kraft« dergestalt gestört oder verlagert werden kann, daß die
Gutteilchen (im Endeffekt) eine Vorwärtsbewegung ausführen.
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Die gewünschte Verlagerung des Gleichgewichtszustandes erreicht die
Erfindung in ganz einfacher Weise dadurch daß Vosgorge getroffen wird, daß zulaufseitig
die seitliche Komponente der nachdrückenden bzw. nachfließenden Gutschicht verstärkt
wird; diese Wirdkung wird aber erreicht, wenn man Vorsorge trifft, daß zulaufseitig
die Schicht etwas höher gehalten wird als ablaufseitig.
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Das spezifische Gewicht der festen Teilchen ist sehr viei größer
als das der Luft, eine geringe zulaufseitige Überhöhung der potentiellen Energie
der «nachfließendien » Gutsäule stört das Gleichgewicht und bat zur Folge, daß zulaufseitig
mehr Material vom durchbrechenden Luftstahl mitgerissen wird als ablaufseitig; diese
ungleiche Entnahme von Gut dauert so lange, bis der ursprünglich Gleichgewichtszustand
wiederhergestellt ist.
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Nach der Erfindung ist nun das Verfahren nicht darauf beschränkt,
daß die Durchbrüche bei der fortwährend beschickten Schicht auf mechanischem Wege,
etwa, wie erwähnt, mittels vorbeistreichender Düsen od. dgl., gesteuert und fortbewegt
werden; vielmehr soll - nach einem besonders hervorstehenden Merkmal' - die Entstehung
und Steuerung der Durchbrüche ohne mechanisch bewegte Mittel auf völlig automatischem
Wege als Folge einer geeigneten Wahl der Betriebsbedingungen vor sich gehen.
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Es muß dazu im Durchbruch ein solcher Gleiche gewichtszustand hergestellt
und, fortwährend beibehalten werden, daß ständig eine geeignete Menge von Guptartikeln
von der Zulaufseite abgetragen und an der Ablaufseite angelandet wird und sich auf
diese Weise der Durchbruch durch das über die poröse Unterlage wandernde Gut hindurchgraben
kann. Die fordurung nach Aufrehchterhaltung eines vorgeschriebenen Gleichgewichtszustandes
im Durchbruch auf seinem Wege durch, die Förderrinne bzw. das Fließbett beinhaltet
die Aufgabe, daß nicht' nur die aus dem strömenden Medium herrührenden Kräfte, sondern
auch. die aus dem Gut stammenden Kräfte in vorgeschriebener und gleichbleibender
Form und Folge eingebracht und zusammengefügt werden müssen. Praktisch wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß die poröse Unterlage eine in an sich bekannterWeise
schwache bis mäßige Neigung erhält; in gleichmäßiger Schichthöhe wird das Gut durch
die Rinne gefördert. Der überschuß $der auf der Zulaufeite angreifenden seitlich
schiebenden Kraft, die ja eine
Komponente des Bodendruckes des Gutes
ist, wird dadurch in zeitlich gleichlbleibender Höhe zur Wirkung gebracht.
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Besondere Beachtung ist bei der » automatisch gesteuerten « Fortwährend
beschickten Schicht den Einlauf-und Auslaufbedingungen zu widemen, denn von ihnen
hängt nicht nur die Regelung der Gutzufuhr und Gutabfuhr ab, sie müssen vielmehr
so beschaffen sein, daß der Durchbruch an geeigneter Stelle und zum richtigen Zeitpunkt
zum Entstehen und nach Erfüllung seiner Funktion wieder zum Verlöschen gebracht
wird.
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Im einfachsten Fall kann. dieser Forderung schon dadurch entsprochen
werden, daß die Einlaufschwelle nach. dem Verbild der bekannten pneumatischen Rinnen
etwas höher angebracht wird als die Auslaufschwelle. Die Neigung des Bettes oder
der Förderrinne usw. ist merklich kleiner als der Schüttwinkel des Gutes. Der Durchbruch
entsteht jeweils an der Stelle geringsten Luftwiderstandes, und diese Stelle wird
zwangsweise an die Auslaufschwelle verlegt, wenn dafür gesorgt ist, daß dort ständig
etwas Gut frei und unbehinder t abrieseln oder absickern kann, so daß die Schichthöhe
sich an dieser Stelle etwas ermäßigt, oder, falls das Gut an der Auslaufshcwelle
staut, wenn auf mechanischem Wege in periodischer Folge, wenn möglich in dem Taktmaße,
im dem ein Durchbruch durch das Bett bzw. die Rinne eilt, eine hinreichende Gutmenge,
z. B. mittels Schleusen, Schaufeln od. dgl., abgezogen wird.
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Eine wesentliche regelungstechnische Voraussetzung für die Aufrechterhaltung
des durch die Erfindung ermöglichten Bewegungsvorganges und Damit des Gutdurchastzes
ist die rechtzeitige Vernichtus des Durchbruches, nachdem er seine Aufgabe auf dem
Wege durch die Förderrinne erfüllt hat und am Gutzulauf angelangt ist. Auch bei
der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß eine seitliche,
schiebende Komponente aus dem Bodendruck der den Durchbruch begrenzenden Gutschicht
in, geeigneter, wahlweiser Größe zur Wirkung gebracht werden kann, also auch in
solcher Größe, daß sie das Gleichgewicht im Durchbruch nicht nur verschiebt, sondern
es gänzlich ze rstört. Um den' Durchbruch zum Erlöschen zu bringen, wird das Gut
vorzugsweise in einem Bunker vor dem Zulauf angestaut; der anbrandende Durchbruch
lockert und unterwühlt den Fuß der auf den Einlauf drückenden Gutsäule das in freier
Schüttung nachstürzende Gut »erdirückt« den Luftdurchbruch.
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Mitunter kann die Gutzuführung auch. in der Weise erfolgen, daß forbalufend
oder in dem Takte, in dem die Durchbrüche anbranden, vorzugsweise mittels Schnecken
Speisewalzen od. dgl., eine Menge an Gut eingedreht wird, die ausreicht, um den
Durchbruch abzuwürgen. Am Ort geringsten Widerstandes schafft sich die Luft einen
neuen Durchbruch, das Spiel wiederholt sich.
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Jede zeitliche oder örtliche Änderung der Luftmenge, der Rauhigkeit
oder der Durchlässigkeit der vorgeschalteten. porösen Unterlage, der Neigung der
Rinne, der Schichthöhe oder des Durchsatzes, der Gutart bzw. Gutbeschaffenheit u.
a. m. führt zu einer Verschiebung des zur Aufrechterhaltung und Fortbewegung des
Durchbruches notwendigen, für die Erfindung charakteristischen fließtechnischen
Gleichgewichtszustanders zwischen den innerhalb der fluktuierenden Schicht wirksam
werdenden, zum einen Teil aus dem strömenden Medium, zum anderen aus dem Gut herrührenden
Kräfte. Zur Einregulierung des jeweils gewünschten Gleichgewichtsza&tan'des
bei Wechsel des Behandlungsgutes oder des Aufbereitungs- bzw. Behandlungseffektes
ist aus diesen Gründen heraus häufig die Anpassung von mehreren Betriebstgräßen,
z. B. der Luftmenge und der Neigung der Förderrinne oder der Schichtböhe, erforderlich.
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Luftmenge und Luftdruck und mit ihnen der Kraftbedarf des Lüfters
können nach dem aufgezeigten Verfahren, bei dem nur ein geringer Teil der Schicht
jeweils beaufschlagt ist und zum »Fließen « gebracht wird, mitunter nidriger gehalten
werden als in der gebräuchlichen Wirbels fließschicht, die zum kontinuierlichen
Durchlauf eine gleichmäßige und vollständige »Fließbarmachung» der gesamten, in
der Förderrinne bzw dlem Fließbett lagernden Schicht verlangt.
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Das durch die Erfindung aufgezeigte Verfahren darf als Erweiterung
der Wirbelschincttechnik und mitunter als Ersatz für die Wirbelfißschicht für solche
Fälle angesprochen werden, in denen eine hinreichend homogene, stetig arbeitende
Wirbel : schicht nicht mehr möglich ist oder nur unter Schwierigkeiten und unter
Inkaufnahme hoher Druckverlauste in der luftdurchlässigen Unterlage herzustellen
ist. Im aufgezeigten Verfahren ist der Eigenwiderstand der luftdurchlässigen Unterlage
in jedem Falle gering ; selbst in sehr stanubalige Luft legen sich die zulässigen
groben. Poren nicht zu, die Luft kann daswegen im Kreislauf enführt werden.
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Grundsätzlich anders geartet ist der Bewegungsvorgang in der »Durchhruchschicht«:
Das Einzelkon »fließt« nicht mehr »schwimmend«, wie in bekannten Wirdbelschichte,
sondern »penselt« im Durchbruch, wenn es vom Luftstrom erfaßt und hochgetragen und
dann wieder abgeworfen wird, zunächst einmal (im Mittelwert) in senkrechter Richtung.
Diese (im wesentlichen) lot rechte Bewegung jedes einzelnen Kornes wird über die
Förderringe hinweg zur »oszilierenden., Behnkurve« auseinandergezogen, wenn das
ursprüngliche Kräftegleichgewicht dadurch eine Veränderung erfährt, daß ihm eine
einseitig schiebende Kraft überlagert wird.
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Jeweils der gewünschten Wirkung entsprechend können bei der Anwendung
des Verfahrens die Betriebsbedingungen variiert werden. Während z. B. bei hinreichend
grobem Korn, das in niedriger Schüttung lagert, ein. merklicher Anteil der dem Fließbett
bzw. der Förderrinne zugeführten Luft seitlich vom Durchbruch durch die Kornzwiscbenräume
seinen Weg findet und debei das Gut Wielleicht um eine Kleinigkeit anloclcert, werden
bei zunehmende Schichthöhe Anteil und Geschwindig-
keit der durch
die Kornzwisehenräume hindurchstreichenden Luft geringer, der Durchbruch dagegen
wird um so ergiebiger und kraftvoller.
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Die gerade beim kraftvollen Durchbruch in den Spitzen erheblich über
der Schwebegeschwindigkeit liegenden Relativgeschwindigkeiten ermöglichen eine gute
Reinigung, beispielsweise von Getreliide, nicht nur deswergen, weil bei dem Verfahren
das Gut wiederholt und intensiv (auch im Getreide spalt) bespült und »gewaschen«
wird, sondern auch deswegen, weil ungleichen Massen unterschiedliche Beschleunigungs-und
Verzögerungszeiten und entsprechende Bahnkurven zugeordnet sind; nur selten verlaufen
überdies die Widerstandsbeiwerte verschiedenartiger Körperformen über einen größeren
Re-Zahl-Bereich hinweg konform, vor allem divergieren die kritischen Re-Zahlen für
den Umschlag.
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Bei geringer schichthöhe wird nur jeweils eine geringe Menge des
Gutes von der durchbrechenden Luft mitgenommen und dabei besonders sauber und schonend
umgewendet; die Verweilzeit der einr zelnen durch das. Bett hindurchwandernde Gut
partikel ist in diesem Falle bemerkenswert gleichmäßig. Vornehmlich. bei kleiner
Bettneigung und geringer Schichthöhe durcheilen. häufig. mehrere kleinere Durchbrüche
nacheinander die Rinne. Bei großer Schichthoihe hingegen werden bedeutende Gutmengen
von der Luft erfaßt und wirbelnd hochgetragen. Die Relativgeschwindigkeit beträgt
an der Unterseite der Schicht gegebenenfalls ein Mehrfaches der Schwebegeschwindigkeit
des Einzelkornes. Die Durchmischung des Gutes ist im Wirbel recht intensiv, während
neben. dem Durchbruch. das Gut in völliger Ruhe liegenbleibt; die Kontrolle der
Verweilzeit aber wird mit steigender Schicht schwieriger und geht schließlich auch
beim vorgeschlagenen, Verfahren wie bei der brodelnden oder kühlenden Wirbelschicht
verloren. Vorübergehende Abweichungen der Bettneigung von der Ausgangslage, wie
sie unvermeidlich sind, wenn. eine nach dem Verfahren arbeitende Anlage auf einem
rollenden Fahrzeug, z. B. einem Mähdrescher, aufgebaut ist, werden von der über
den größten Teil des Bettes zähen und trägen Schicht aufgenommen bzw. abgefangen,
ohne daß durch sie der Gutdurchsatz ernstlich gefährdet würde. Auch. gegenüber Schwankungen
um die Lönagschase ist des angegebene Verfahren weiniger störungsanfällig als die
» dünnflüssige « Wirbelfließschicht. Notfalls kann dem seitlichen Abgleiten des
Gutes (bei längerem einseitigem »Hängen« des Bettes bzw. der Rinne) und gegebenenfalls
der Quervermischung des Gutes (quer zur Bahnrichtung) dadurch vorgebeugt werden,
daß die Rinne längs des Gutweges mittels Zwischenwände od. ä. in schmale Einzelbahnen
unterteilt wird, von denen. jede von einem gesonderten Durchbruch durchlaufen wird.
Dabei lösen sich, sofern störende Einflüsse ausgeschaltet werden, die Durchbrüche
in ähnlicher Periodizität an der Ablaufstelle ab wie die Wirbel der Karmanschen
Wirbelstraße.
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Die Aufteilung desl Bettes bzw. der Förderrinne in schmale Felder
begünstigt überdies die Vermehrung der Zahl kleiner Durchbrüche an Stelle einzelner
großer umfangreicher Durchbrüche und trägt deshalb zur Verminderung des Abriebes
bei. wenn es sich um oberflächenempfindliches Gut handelt.
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Erschütterungen des Bettes durch Rütteln oder Vibrieren, wie es bei
ähnlichen Einrichtungen. bekannt ist, erleichtern das »Zerließen« der Schüttung.
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In der Müllereitechnik z. B. eignet sich das Verfahren neben der
schon eingangs angeführten ursprünglichen Anwendung zum Trennen (bzw.
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Reinigen) von inhomogenem Gut (Sichtung, Siebung, Trennen nach spezifischem
Gewicht) zum schonenden Beimischen oder Zusammenmischen, Auflockern, Bleichen, Begasen
usw. homogenen Gutes bzw. von Materialien mit gleichem spezifischer Gewicht. Die
Beigabe kleiner Gutmengen kann noch während des Durchlaufes durch das vorzugsweise
langgestreckte Fließbett od. ä. erfolgen. Während des Umwendens bzw. Mischens werden
die Gutoberflächen nicht durch den Druck einer Gutsäule oder eines Mischwerkzeuges
belastet, die Gefahr des Abreibens oder Verschleißens griffiger Körnungen ist hiermit
gebannt.
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Auch bei Darren usw. kann der Luftdurchbruch des gezeigten Verfahrens
mechanisch bewegte Wender, Mischer oder Fräsen ersetzen.
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Der Durchbruch legt immer neue Partikelflächen an der Schichtoberseite
und -unterseite frei, die gegebenenfalls, selbst wenn es sich um ein temperaturempfindliches
Gut handelt, ohne Schaden zu nehmen von energiestarker Strahlung getroffen werden
dürfen, weil. die Verweilzeit an den Außenseiten der Schicht nur kurz ist und die
von der Partikeloberfläche aufgenommene Wärmemenge schon beim nächste Wirbeldurchung
wieder innerhalb der Schicht mit umgebenden Partikeln getauscht wird.
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Auf das ständig wiederholte Abmischen und Durchwirbeln des Gutes
in den Luftdurchbrüchen ist es zurückzuführen, daß mit Hilfe des Verfahrens ein
sehr sehr schneller und wirksamer Wärmeaustausch zwischen dem Gut einerseits und
festen Wandungen, insbesondere der porösen Unterlage, anderseits bewerkstelligt
wird. Die Behandlung bzw. Aufheizung (Kühlung) des Gutes vollzieht sich stufenweise,
die Wärmeübertragung erfolgt durch Leitung zwischen festen Körpern; jede Durchwirbelung
führt dem Schichtinnern nach Art des turbulenten » Austausches « wiederum eine endliche
Menge Wärme zu. In der Wahl der Taktfolge ist ein Mittel an die Hand gegeben, um
die Stufung zu steuern.
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Die Arbeitsweise eignet sich nach obigem auch zur Behandlung eines
Gutes, das in der Außenzone (Schale) eine höhere Temperatur verträgt als im Kern,
z. B. von Getreide, selbst kann, wenn die Schaleschicht eine schlechte Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Bei geeigneter Wahl der Betriebsgrößen ist es möglich, das Verfahren zum
»Konditionierena z. B. von Getreide zu verwenden und Wärmespannungen in die Trenuschichten
zwischen
Kern und Schale zu legen. Im Gegensatz zur Behandlung in
üblichen Wirbeischichten, bei der jedes Korn von der (»isolierenden«) Grenzschicht
des strömenden Mediums umschlossen ist, stehen die Partikel in der erfindungsgemäßen
Durchbruchschicht mit einem Teil der Oberflächen jeweils sowohl untereinander als
auch mit den festen, begrenzenden Wandungen vorübergehend in Berührung. Die Wärmeübertragung
innerhalb der Schicht erfolgt im weiteren im wesentlichen durch den im neuen Verfahren
besonders ausgeprägten »Austausch'« der wäremspeichernden Massen der Gutpartikel;
die Luft hat unmittelbar kaum einen Anteil an der Wärmeübertragung innerhalb der
Schicht, Umwege an Wärme werden dadurch vermieden. Dieser durch die Erfindung aufgezeigte
unmittelbare und schnelle Wärmeübergang ermöglicht eine wirtschaftliche Nutzung
von Wärmequellen oder Wärmesenken noch dann, wenn das verfügbare Temperaturgefälle
so gering ist, daß der Umweg über einen Wärmezwischenträger und die hierbei notwendige
Zwischenschaltung von gefälleverzehrenden Wärmeaustauschern unlohnend erscheinen
müßte. Die Erfindung erleichtert also den Anschluß an Wärmemengen, welche bei verhältnismäßig
niedrigem Temperaturnzveau dargeboten werden, beispielsweise der im Kühlwasser von
Verbrennungskraftmaschinen abgeführten Verlustwärme oder der von einer Wärmepumpe
angelieferten Wärme. Aus den gleichen Gründen kann mit Vorteil der unmittelbare
Wärmeübergang auch zur Kühlung des Gutes ausgenützt werden, wenn die Wärme des Gutes
z. B. an Flußwasser oder an Kühlsole abgeleitet werden. soll und nur eine geringe
antreibende Temperaturdifferenz zur Verfügung steht; wollte man aus solchen Wärmequellen
oder zu solchen Wärmesenken auf dem Umwege über eine Vorheizung oder Vorkühlung
der Luft die gleichen Wärmemengen zuführen oder entziehen, so wären große Luftmengen
(Kraftbedarf, Abluftverluste) sowie umfangreiche und kostspielige, gefälleverzehrende
Wärmeaustauscher erforderlich. Bekanntlich ist die Leistungsziffer thermodynamischer
Kreisprozesse für Wärmepumpe und Kühlmaschine um so günstiger, je geringer der Abstand
zwischen den begrenzenden Speichertemperaturen gehalten werden kann.
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Mittelbar, und zwar auf dem Umwege über die Feststoffteilchen wird
natürlich auch die durch die Schicht hindurchtretende Luft in das Temperaturfeld
mit einbezogen; hierdurch werden die festen Teilchen zu speichernden Wärmeübertragungsgliedern,
die Durchbruchschicht wird zum Wärmeaustauscher (nach dem Regeneratorenprinzip,
ähnlich dem pebblestone-heater) zwischen geheizten oder gekühlten Wänden (Rosten
usw.) und dem strömenden Medium. Die Zwischenschaltung einer Stufe mit Wärmeübertragung
durch Leitung von einer festen Wand an die nach der Er. findung intermittierend
durchmischte, oszillierende Schüttgutschicht, die ja jeweils nur in einem schmalen
Querstreifen innerhalb der Förderrinne zum » Fließen « gebracht wird, während die
Partikel über den größten Teil des Bettes hin in dichter Packung aneinanderlagern
und hierbei wieder nachgeheizt werden können, erbringt gasseitig eine Einsparung
an feststehender Wärmeaustauschfläche; ständig werden neue thermische Anlaufvorgänge
an »regenerierten« Wärmeaustauschflächen erzwungen ; der Temperaturgradient wird
dadurch verbessert.
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Die Sonderstellung des durch die Erfindung aufgezeigten Prinzips
der »Durchbruchschicht« innerhalb der Gruppe der »staubfließtechnichen« Verfahren
zwischen Schüttschicht, Wirbelschicht und Flugstaubwolke bringt es mit sich, daß
auch seine Anwendungen sich mit denen der genannten Verfahren wenigstens zum Teil
überdecken. Schichthöhe, Bettneigung usw. lassen sich im Einzelfall unter Umständen
so weit anpassen, daß im äußeren Bild und vielLeicht auch in der strömungstechnischen
und verfahrenstechnischen Wirkung eine Annäherung an das eine oder andere der genannten
Verfahren sichtbar wird, wenigstens innerhalb des Bereiches des Durchbruches.
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Natürlich können an Stelle von Luft zur Erzeugung des Durchbruches
bzw. der Durchbruchschicht im Prinzip beliebige Gase oder Dämpfe verwendet werden.,
darüber hinaus auch unter Umständen tropbare Flüssigkeiten, sofern nur die entsprechenden
physikalisehen »Modellgesetze« auch im Bereich des Durchbruches eingehalten werden
können.
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Außer körnigem Material kann im erfindungsgemäßen Verfahren auch
anderes beliebiges kleinstückiges Gut, z. B. flockiges, stäbchenförmiges oder blättchenförmiges
Gut, aufbereitet oder behandelt werden, soweit noch ein entsprechendes Gleichgewicht
der Kräfte hergestellt werden kann.
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Die äußere Ähnlichkeit der Du:rchbruchschicht mit der Wirbel schicht
darf aber nicht über wesentliche aus der Eigenart des Aufströmzustandes und des
Bewegungsvorganges heraus. zu. erklärende strömungsmechainesche Verschiedenheiten
hinwegtäuschen, welche die Vorbedingungen, insbesondere für Wärme- und Stoffaustauschvorgänge,
weitgehend verschieben. Die Durchbruchschicht wird in den Teilen, die nicht gerade
von der durch stoenden Luft erfaßt werden, nicht oder nur verschwindend wenig angehoben;
in den ruhenden Schüttgutpartien sind die Kornzwischenräume sehr eng, die Strömung
durch sie bzw. um das Einzelkorn ist durch wesentlich kleinere Re-Zahlenl und damit
durch relativ dickere »isolierende« Grenzschichten charakterisiert, als sie der
homogenen Wirbelschlicht eigen sind.
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Im Bereich des Durchbruches dagegen liegen andere Verhältnisse vor;
Kornzwischenräume und Relativgeschwindigkeiten sind größer als in der homogenen
Wirbeischicht; Wärme- und Stoffaustausch am Einzelkorn werden dadurch sehr begünstigt,
daß einerseits die gesamte Kornoberfläche freigelegt ist, zum anderen, daß die dimensionslosen
Kenngrößen für Wärmeübergang und Stoffaustausch, die ja eine Funktion der Reynoldsschen
Zahl sind, zu Werten anwachsen, welche bei
der Umströmung des Einzelkornes
in der homogenen Wirbelschicht nicht erreicht werden können. Eine weitere Folge
der unterschiedlichen Gasgeschwindigkeiten ist es, daß in der Zeiteinheit ungleiche
Stoff- und (Wärme-) Energiemengen an ungleichen Austauschflächen dargeboten werden.
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Während z. B. der Wärmevorrat des durch die ruhende Schüttgutschicht
hindurchstreichenden Luftanteils schon in einer dünnen Zone erschöpft wird, besteht
im Durchbruch ein Überschuß.
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Vor allem bei Stoffaustauschvorgängen zwischen dem strömenden Medium
und einem verhältnismäßig grobkörnigen Gut ist nun häufig, beispiellsweise bei der
Trocknung, eine beträchtliche Wärmemenge zu tauschen. Das technische Problem liegt
dann in der Regel nicht auf der Stoffseite, in der Übernahme oder Abfuhr der Feuchtigkeit
durch das strömende Medium - diese Aufgabe wird schon, von geringen Luftmengen bewältigt
-, sondern auf der Wärmeseite, in der Heranbringung und Verteilung der zur Verdampfung
benötigten Wärmemengen. Dies bedeutet, daß große Luftmengen oder hohe Temperaturen
zur Verfügung stehen müssen, wenn die Verdampfungswärme auf konvektivem Wege gedeckt
werden soll.
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Handelt es sich um ein temperaturempfindliehes, hygroskopisches Gut,
so ist die zulässige Temperaturspanne begrenzt; die Geschwindigkeit des Stoffaustauschvorganges
wird in solchen Fällen bisweilen fast ausschließlichl durch die Wärmeleitfähigkeit
und die Diffusionsgeschwindigkeit im Festgut bestimmt.
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Die aus dem Verfahren sich ergebende intermittierende, stufenweise
Behandlung läßt auch bei temperaturempfindlichem Gut, wie Getreide, eine hohe Lufterhitzung
zu, weil nur kurzfristig, und zwar nur während des Durchlaufes des Luftdurchbruches;
die unempfindliche Schaleschicht mit dem heißen Gas in Berührung kommt, hingegen
im anschließenden längeren Taktteil die aufgenommene Wärmemenge Zeit findet, bei
sich ermäßigender Temperatur in das Korn innere weiterzuwandern.
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Trotz hoher Lufterhitzung wird auf Grund der für das Verfahren besonders
charakteristischen zeitlichen Aufspaltung eines Arbeitsvorganges in aufeinanderfolgende
Teilbehandlungsvorgänge eine Beschädigung des Gutes vermieden.
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Noch günstiger und wirkungsvoller kann nach der Erfindung das Programm
für den Stoffaustausch gesteuert werden, wenn es gelingt, möglichst den gesamten
Wärmebedarf des Prozesses mittels Wärmeleitung von festen Wänden an das berüh rende
Gut heranzubringen und mittels »Austausches« innerhalb der Schicht zu verteilen;
wenn dabei auf dem Umwege über das angewärmte Gut auch die strömende Luft erwärmt
wird, so verlaufen Temperatur-und Diffusionsgefälle in der gleichen Richtung.
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Ähnlich den bekannten Wirbelschichtverfahren kann auch das vorgeschlagene
Durchbruchschichtverfahren bei Kontaktvorgängen Verwendung finden, bei denen das
(zum Zusammenbacken neigende) Gut bewegt werden muß, ebenso bei chemischen Prozessen
und Reaktionen zwischen strömendem Medium und Feststoffteilchen oder zwischen mehreren
Gasen, welche zusammengemischt durch die Schicht hindurchgeblasen werden, wobei
die festen Teilchen als Katalysatoren dienen können.
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Die Betriebszustände, Arbeitsweise und Beschaffenheit mehrerer übereinandergelagerter
Bette, Förderrinnen od. dgl. können gegebenenfalls unterschiedlich eingerichtet
sein, auch dann, wenn beispielsweise zum Zwecke der Annäherung an das Gegenstromprinzip
die verschiedenen Schichten vom gleichen Gasstrom betrieben werden.
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Der durch die Erfindung ermöglichte vorzügliche Wärmeaustausch, zwischen
fester Wandung und Gutschicht auf Grund unmittelbarer Berührung schafft die Voraussetzung
dafür, daß verschiedene, vom gleichen oder von fremdem Gut beaufschlagte Förderrinnen
usw. in den Kreislauf und gegebenen falls. thermodynam ! ischen Kreisprozeß des
durch sie hin (lurchgeleiteten strömenden Mediums oder einer die festen Wandungen,
insbesoridere die durchlässigen Böden (Roste), erwärmenden oder kühlenden, gegebenen,
falls verdampfenden. Wärmeträgerflüssigkeit geschaltet werden können.