Pneumatische Förderung

Prof. Dr.-Ing. Wolf gang Siegel

Pneumatische Förderung Grundlagen, Auslegung, Anlagenbau, Betrieb

Vogel Buchverlag

Professor Dr.-lng. Wolfgang Siegel Jahrgang 19 ig 1957 Abitur am Gymnasium in Nürtingen 1957-1963 Maschinenbaustudium an der Universirär in Smtrgart 1963-1965 Tätig in der Vorenrwicklung von Einspritzpumpen; Firma Robert Bosch GmbH, Stuttgart 1965-1969 Wissenschaftliche Arbeit über Grundlagen der pneumatischen Förderung bei Professor G. Segler; Institut für Landtechnik, Universität Stuttgart-Hohenheim 1970 Promotion zum Dr.-Ing., Universität Stuttgart 1969- 1978 Leitung von Entwicklung und Anlagenbau auf dem Gebiet der pneumatischen Förderung; Firma Seeger, Fellbach 1978-1982 Leitung des Bereichs Chemieanlagenbau, danach Leitung des Beteicbs Entwickking; Fitma Waeschle, Ravensburg 1982-1987 Professor an der Fachhochschule in Heilbronn für Fördertechnik und Konsrruktionssystematik Seit 1987 Professor und Fachlehrer im M a s c h i n e n b a u an der Berufsakademie in Ravensburg

CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Siegel, Wolfgang; Pneumatische Förderung : Grundlagen, Auslegung, Anlagenbau Betrieb / Wolfgang Siegel. - 1. Aufl. - Würzburg : Vogel, 1991 (Vogel-Fachbuch : Verfahrenstechnik) ISBN 3-8023-0432-2

ISBN 3-8023-0432-2 I.Auflage. 1991 Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form i,Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elekttonischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder vcrbreiret werden. Hiervon sind die in SS 53, 54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefälle nicht berührt. Copyright 1991 by Vogel Verlag und Druck KG, Würzburg Sarz: Satz-Offizin Hummer, Waldbüttelbrunn Druck und Bindung: Friedrich Pustet, Regensburg

Vorwort

Seit über 100 Jahren werden pneumatische Förderanlagen gebaut und mit Erfolg in der Fördertechnik und Verfahrenstechnik betrieben. 70 Jahre lang wurde in Veröffentlichungen und Vorträgen über Einzelheiten zur Funktion und zum Bau dieser Anlagen berichtet. Dennoch besteht immer noch Bedarf, Grundlagen und Unterlagen zur Auslegung von pneumatischen Förderanlagen zu interpretieren. Das hat mich veranlaßt, die Beschreibung der pneumatischen Förderung und der dazugehörenden Komponenten erneut aufzugreifen. Dabei kam mir die langjährige Erfahrung in Forschung und Entwicklung, im Anlagenbau und in meiner Lehrtätigkeit zugute. Grundlagen der pneumatischen Förderung sind Strömungslehre, Thermodynamik, die mechanische Verfahrenstechnik und die Fördertechnik. Schnittstellenprobleme zwischen diesen Fachgebieten und manche bis heute nicht erforschten Einflüsse erschweren ihre Übertragung auf die pneumatische Förderung. In riskanten Fällen habe ich eine Aussage nicht gescheut. Sollten sich dabei Fehler eingeschlichen haben, bin ich dem Fachmann für entsprechende Hinweise dankbar. Von der Ausarbeitung der Theorie bis hin zur Berechnung von Anlagen und zur Auswahl von Komponenten hatten für mich Verständlichkeit und Präzision Vorrang. Zahlreiche Hinweise und Erklärungen zum Funktionsverhalten von Förderanlagen in der Praxis sind für den Studenten oder den Jungingenieur besonders interessant. Auch die Teilnehmer der von mir gehaltenen Industrieseminare finden das für sie Wissenswerte in diesem Buch. Danken möchte ich all denen, die mich durch Rat und Tat bei der Erstellung des Manuskriptes unterstützten. Die Anregung zu diesem Fachbuch gab Herr Hartwig Sträub aus Berolzheim. Den Firmen der pneumatischen Förderung danke ich für das umfangreiche Informationsmaterial und bitte zugleich um Verständnis, wenn ich nur einen Teil bei der Ausarbeitung berücksichtigen konnte. Herrn Professor Willi Bohl aus Heilbronn, Herrn Dr. Hans Hoppe aus Vogt und Herrn Hartwig Sträub aus Berolzheim gilt mein Dank für die Fachkorrektur. Ravensburg

Wolfgang Siegel

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

5

1 Einleitung 1.1 Grundlagen der Fördertcchnik 1.1.1 Aufgaben der Fördcrtcchnik 1.1.2 Pneumatische und mechanische Stetigförderung l .2 Geschichtliche Entwicklung 1.2. l Überblick über die Literatur zur pneumatischen Förderung 1.2.2 Entwicklung in der Praxis

13 13 13 14 15 15 15

2 Grundlagen der pneumatischen Förderung 2.1 Grundlagen der Strömungslehre 2. . l Dynamischer Druck 2. .2 Druckverlust bei reiner Luftströmung 2. .3 Einzclkorn in der Rohrströmung 2. .4 Schwebegeschwindigkeit des Einzelkorns 2. .5 Druckverlust im Schüttgutbctt 2. .6 Fhcßbett 2.2 Zustandsdiagramm der pneumatischen Förderung 2.2. l Zur Frage der Allgemeingültigkeit 2.2.2 Grenzkurvcn 2.2.3 Flugförderung 2.2.4 Strähnenförderung 2.2.5 Pfropfen förderung 2.2.6 Instabiler Bereich 2.2.7 Fließförderung 2.3 Fördergut in der Förderanlage 2.3.1 Gutbeschleunigung 2.3.1.1 Gutbeschleunigung bei Flugförderung 2.3.1.2 Gutbeschleunigung bei Pfropfen förderung 2.3.2 Beharrungsz.ustand 2.3.2. l Beharrungszustand bei waagerechter Förderung 2.3.2.2 Beharrungszustand bei lotrechter Förderung 2.3.3 Gutumlenkung im Rohrkrümmer 1.3.3.l Krümmerströmung 2.3.3.2 Krümmer- und Gutverschleiß 2.3.3.3 Krümmergeometrie 2.3.3.4 Druckverlust im Rohrkrümmer 2.3.4 Druckvcrlauf längs der Förderlcitung 2.4 Saug- und Druckanlage 2.5 Betriebspunkt einer pneumatischen Förderanlage 2.5. l Betriebspunkt bei Flugförderung 2.5.2 Betriebspunkt bei Pfropfenförderung

17 17 17 18 21 23 24 26 27 27 28 29 30 31 32 33 34 35 35 37 38 38 40 40 40 41 42 43 43 44 48 48 50

3 Fördergut und Fördermittel 3. l Fördergut als Schüttgut 3.1.1 Schüttgutvcrarbeitende Industrie 3.1.2 Schüttgüter der pneumatischen Fördertechnik 3.2 Schüttguteigenschaften 3.2.1 Allgemeine Schüttguteigenschaften 3.2.2 Wesentliche Schüttguteigenschaften für die pneumatische Förderung . . . . 3.3 Messung, Registrierung und Beispiele von Schüttguteigenschaften 3.3.1 Gewicht des Schüttguts 3.3.2 Maße des Schüttguts 3.3.3 Fließverhalten der Schüttung 3.3.3. l Innere Reihung und KohäMon 3.3.3.2 Wandreibung und Adhäsion 3.3.3.3 Schüttwmkd 3.3.4 Kornhärte und Verschleiß 3.3.5 Strömungstechnische Eigenschaften des Förderguts 3.3.5.1 Schwebcgcschwindigkcit und Widerstandsbeiwert der Kornumströmung 3.3.5.2 Druckverlustbeiwert und Luftgeschwindigkeit hei Flugförderung 3.3.5.3 Fluidisierbarkeit und Lufthaltevermögen 3.3.6 Guteigenschaften mit Auswirkung auf Gutqualität und Umwelt 3.3.6. l Einfluß auf die Gutqualitat 3.3.6.2 Umweltbelastung 3.4 Fördermittel 3.4.1 Folgerungen aus dem Gasgesctz 3.4.2 Verwendete Fördermittel und ihre Eigenschaften 3.4.3 Dichte des Fördermittels Luft 3.4.3.1 Einfluß von Temperatur und Luftfeuchte 3.4.3.2 Einfluß des Barometerstandes 3.4.3.3 Einfluß der geodätischen Höhe 3.4.4 Kondensatausfall bei feuchter Luft

53 53 53 54 55 55 56 58 58 59 6l 61 63 64 64 6T

4 Berechnung von pneumatischen hörderanlagen 4. l Allgemeines 4.1.1 Ziele des Berecbnungsverfahrcns 4.1.2 Andere Berechnungsverfahren 4.1.3 Grundlagen der Berechnung von pneumatischen Förderanlagen 4.1.3.1 Druckverlustbeiwert bei Gutförderung 4.1.3.2 Auf den Rohrdurchmesser bezogener Druckverlustbeiwert 4.1.3.3 Grundgleichungen zum Zustand in der Förderleitung 4.2 Berechnung von pneumatischen Förderanlagen ohne Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft 4.2. l Allgemeines 4.2.2 Luftgeschwindigkeit 4.2.3 Druckverlust 4.2.3. l Luftreibungsverlust 4.2.3.2 Lufteinzelwiderstände 4.2.3.3 Gutreibungsverlust 4.2.3.4 Hubverlust 4.2.3.5 Beschleunigungsverlusc 4.2.3.6 Krümmerverlust 4.2.3.7 Gcsamtdruckverlust 4.2.4 Auslegung einer pneumatischen Förderanlage bei Vernachlässigung der Kompressibilität der Luft

^9 79 79 81 83 83 87 89

67 69 69 70 70 70 7] 7l 7l 73 73 73 75 76

91 91 9] 93 94 94 95 95 96 97 97 98

4.3

4.4

4.5

4.2.4. l Rohrdurchmesser 4.2.4.2 Luftvolumenstrom 4.2.4.3 Leistungsbedarf Pneumatische Druckförderung unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft 4.3.1 Allgemeines 4.3.2 Luftgeschwindigkeit 4.3.3 Druckverlust 4.3.3.1 Druckverlust bei kompressibler Luftströmung 4.3.3.2 Druckverlust bei kompressibler Gut-Luft-Strömung 4.3.4 Auslegung einer pneumatischen Druckförderanlage unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft 4.3.4.1 Druckförderanlage ohne Abstufung des Rohrdurchmesscrs 4.3.4.2 Druckförderanlage mit mehrfacher Abstufung des Rohrdurchmessers Pneumatische Saugfördcrung mit Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft 4.4.1 Allgemeines 4.4.2 Luftgeschwindigkeit 4.4.3 Druckverlust 4.4.3.1 Integration des Druckverlusts in der Sauganlage 4.4.3.2 Grenzen des Druckverlusts in der Sauganlage 4.4.4 Auslegung einer pneumatischen Saugförderanlagc unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft Berechnungsbeispiele 4.5.1 Allgemeines 4.5.2 Beispiel einer pneumatischen Druckförderanlage 4.5.3 Beispiel einer pneumatischen Hochdruck-Förderanlage 4.5.4 Beispiel einer pneumatischen Saugförderanlage

98 99 99 100 100 100 102 102 103 103 103 108 110 110 110 111 111 112 113 115 115 115 118 119

5

Verfahren der pneumatischen Förderung 5. l Entwicklungsziele 5.1.1 Betriebssicherheit 5.1.2 Schwachstellen oder Gestaltungszonen 5.2 Extreme Fördergüter der Flugförderung 5.3 Sonderlösungen der Pfropfen- und Dichtstromförderung 5.3. l Pumpförderung 5.3.2 Kombinierte pneumatisch-mechanische Förderung 5.4 Schonende Förderung von Granulaten 5.4.1 Voraussetzungen und Daten zur Pfropfenförderung 5.4.2 Vergleich der Pfropfenförderung mit und ohne Taktung 5.4.3 Verfahren der Pfropfenförderung 5.5 Verfahren der pneumatischen Fließförderung 5.5. l Fließbettförderung 5.5.2 Ausgeführte Fließförderverfahren 5.5.3 Sonderverfahren der Fließförderung 5.6 Verfahren zur Förderung kohäsiver und adhäsiver Schüttgüter 5.6.1 Einfluß von Kohäsion und Adhäsion auf das Förderverfahren 5.6.2 Förderverfahren für kohäsive Schüttgüter 5.6.3 Förderverfahren für adhäsive Schüttgüter

121 121 121 122 123 125 125 126 126 126 127 132 133 133 133 134 135 135 137 142

6

Luftversorgung 6. l Thermodynamische Grundlagen 6.1.1 Volumenstrom und Druckerhöhung

145 145 145

6.3

6.4

6.5

6.6

6.1.2 Temperaturerhöhung Ventilator 6.2.1 Funktion 6.2.2 Bauarten und Kennlinien 6.2.2. l Ventilatorkennlinie 6.2.2.2 Laufrad 6.2.2.3 Ähnlichkeitsgesctzc 6.2.3 Steuerung und Regelung von Ventilatoren 6.2.4 Der Ventilator in der Anlage 6.2.4.1 Reihenschaltung von Widerständen 6.2.4.2 Parallelschaltung von Widerständen 6.2.4.3 Reihenschaltung von Ventilatoren 6.2.4.4 Parallelschaltung von Ventilatoren 6.2.5 Transportventilator 6.2.5.1 Staub im Luftstrom 6.2.5.2 Ventilator als Schleuse bei der SpäneabsaugLing Seitenkanalgcbläsc 6.3.1 Funktion und Ausführung 6.3.2 Kennlinien 6.3.3 Linsat/ Drehkolbengebläse 6.4. l Funktion und Ausführung 6.4.2 Kennlinien 6.4.3 Lärmentwicklung 6.4.3. l Absorptionsschalldämpfer 6.4.3.2 Resonanzschalldämpfer 6.4.3.3 Schallhaube Schraubenverdicbtcr 6.5. l Funktion 6.5.2 Druckerhöhung 6.5.2. l Druckverhältnis p J p , 6.5.2.2 Das reale Druck-Volumen-Diagramm 6.5.3 Kennlinien 6.5.4 l.ärmentwicklung Luftversorgung für pneumatische Förderanlagen 6.6. l Dezentrale und /.entralc Luftversorgung 6.6.2 Druckluftaufbereitung 6.6.3 Luftvolumenstromregelung 6.6.4 Luftmengenregclung mit Lavaldüsc 6.6.4.1 Theoretische Grundlagen 6.6.4.2 Messungen an Lavaldüsen 6.6.4.3 Ausführung

7 Eimchleusung in pneumatische Förderanlagen 7.1 Aufgabe der Einschlcusung 7.1. l Schleusenfunktion 7.l.2 Dosierfunktion 7.2 Saugdüse 7.2.1 Funktion und Bedienung 7.2.2 Bauarten von Saugdüsen ~.3 Transportventilator 7.3. l Funktion 7.3.2 Einsatzkriterien

10

147 149 149 150 150 52 53 53 55

59 159 159 160 161 161 163 163 163 163 165 168 169 171 171 172 172 174 174 174 175 l 177 l 77 l 79 l 80 181 181 IS? l S4

l 8~ 187 187 188 190 190 191 193 193 194

7.4

7.5

7.6

7.7

7.8

Injektorschleuse 7.4.1 Funktion 7.4.2 Druckumsatz 7.4.3 Bauformen 7.4.4 Einsatzkriterien Zellenradschleuse 1.5.l Funktion und Bauformen 7.5. l. l Austragschleuse 7.5.1.2 Durchblasschlcusc 7.5.1.3 Schleusennormen 1.5.l.4 Schleusenwerkstoffe 7.5.2 Zellenradausführungen und Gutmassenstrotn 1.5.2.l Gutmassenstrom und Füllungsgrad 7.5.2.2 Schleuseneinlauf 7.5.2.3 Zellenradform 7.5.3 Spalte, Druckdifferenzen und Schleusenleckluft 7.5.3.1 Spalte der Zellenradschleuse 7.5.3.2 Leckluftströmung 7.5.3.3 Leckluftabführung 7.5.3.4 Abgedichtetes Zellenrad 7.5.4 Einfluß des Förderguts 7.5.4. l Schleusenverschleiß 7.5.4.2 Granulatabscherung 7.5.5 Einsatzkriterien Druckgefäß 7.6. l Funktion 7.6.1.1 Funktionsablauf 7.6.1.2 Betriebsdrücke 7.6.1.3 Zeitlicher Druckverlauf 7.6.2 FJnfluß des Förderguts auf die Bauform 7.6.2.1 Druckgefäß für rieselfähige Granulate 7.6.2.2 Druckgefäß für fluidisierbare Pulver 7.6.2.3 Druckgefäß für kohäsive Schüttgüter 7.6.3 Strömung der Luft und des Förderguts 7.6.3.1 Luftmengensteuerung 7.6.3.2 Gutzulauf 7.6.3.3 Gutauslauf 7.6.4 Druckgefäßanordnung für kontinuierlichen Betrieb 7.6.5 Einsatzkriterien Fließbettschleuse 7.7. l Funktion 7.7.2 Einsatzbeispiclc Schneckenschleuse 7.8. l Funktion 7.8.2 Ausführung

Förderleitung 8.1 Ausführung 8.1.1 Rohrdurchmesser 8.1.2 Rohrwerkstoff 8.1.3 Flanschverbindung 8.1.4 Schläuche

195 195 197 201 202 203 203 203 204 204 206 207 207 207 209 211 211 211 213 214 215 215 216 219 219 219 220 221 221 222 223 224 225 226 226 226 228 228 229 230 230 231 232 232 233 235 235 235 236 237 238

11

8.2

Rohrführung ....................................................................... S. 2. l Rohrkrümmer ............................................................ 8.2.2 Rohrweiche ............................................................... 8.2.3 Rohrbahnhof .............................................................

9 Gutabscheidung .......................................................................... Vorabseheidung nach der pneumatischen Förderung 9.1 Feinabscheidung im Zyklon 9.2 9.2.1 Funktion und Gestaltung 9.2.2 Theoretisches Grenzkorn 9.2.3 Abscheidegrad 9. '.4 Druckverlust im Zyklon 9.2.5 Finsatzkriterien Feinabschcidung im Filter 9.3.1 Theorie der Filterabscheidung 9.3.2 Reststaubgchalt 9.3.3 Filterbelastung 9.3.4 Filtcrausführungen 9.3.4.1 Filtermedium 9.3.4.2 Filterelement 9.3.4.3 Filterahreinigung 9. i. 5 Finsatzkriterien 10 Pneumatische Förderanlage ............................................................... 1 0. l Planung und Bau .................................................................. 10.2 Beispiel einer pneumatischen Druckförderanlage ................................. 10.3 Beispiel einer pneumatischen Saugfördernnlagc ...................................

Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis

12

241 241 241 242 243 24.5 245 245 247 248 249 250 250 251 252 25.5 254 254 256 256 258 259 259 26l 262

Einleitung

1.1

Grundlagen der Fördertechnik

1.1.1

Aufgaben der Fördertechnik

In der Industrie fällt der Fördertechnik die Aufgabe zu, das Material oder Fördergut an die Stellen zu bewegen, wo es in der Produktion oder im Lager benötigt wird. Man findet die Fördertechnik in allen Produktionsstufen. Die Lösung der Probleme des Materialflusses ist eine wichtige Aufgabe bei der Planung einer Produktionsanlage. Das Fördergut oder die Materie hat auf der Erde die drei Erscheinungsformen oder Aggregatszustände des Stoffes: fest, flüssig, gasförmig. Flüssige und gasförmige Stoffe werden gewöhnlich durch Pumpen oder Verdichter gefördert, was im engeren Sinne nicht zur Fördertechnik zählt. Die Fördertechnik befaßt sich mit dem Transport von Feststoffen. Die Feststoffe unterteilt man in Stückgüter und Schüttgüter. Die Förderung erfolgt längs einem Förderweg von einem Aufgabepunkt zu einem Abgabepunkt im Raum. Um eine Förderung durchzuführen, benötigt man ein Fördermittel. Dieses kann auf drei Arten arbeiten: mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch. Die mechanische Förderung umfaßt je nach Ausführung einzelne Baugruppen oder Geräte zur Bewegung des Förderguts. Die hydraulische Förderung erfolgt bevorzugt mit Wasser und die pneumatische mit Luft. Bei der hydraulischen und der pneumatischen Förderung ist das Fördergut gewöhnlich ein Schüttgut, das zusammen mit dem Fördermittel in einer Rohrleitung strömt. Damit läßt sich das Thema dieses Fachbuches auch so formulieren: «Förderung von Schüttgut mit Luft durch Rohrleitungen».

13

1.1.2

Pneumatische und mechanische Stetigförderung

Die Fördertechnik unterscheidet weiterhin zwischen Stetig- und Unstetigförderung. Unstetig fördert zum Beispiel ein Kran, der ein Maschinenteil an einem Platz der Halle aufnimmt und zu einem anderen transportiert. Dagegen fördert ein Bandförderer, indem er einen Fördergutstrom erzeugt. In diesem Fall erfaßt man den Massenstrom des Förderguts, das hier als Schüttgut vorliegt, ähnlich wie bei der Strömung einer Flüssigkeit. Wie ein Förderhand oder ein Schneckenförderer so zählt auch die pneumatische Förderung zu den Stetigförderern. Bei der Lösung einer Transportaufgabe hat der Projektingenieur oft die Wahl ?,wischen einem mechanischen Stetigförderer für Schüttgut und einer pneumatischen Förderanlage. Die Entscheidung für das richtige System fällt oft nicht leicht, da jedes Vorund Nachteile hat. In Tabelle 1.1 sind Entscheidungskriterien zusammengetragen und gewertet. Beim Einsatz eines Förderverfahrens in einem Industriezweig haben gewisse Kriterien Vorrang oder sind sogar Mußziele. So trifft man zum Beispiel in einem Kieswerk vor allem auf mechanische Stetigförderer (Bandförderer), während die KunststoffIndustrie die pneumatische Förderung bevorzugt. Die Ursache hierzu kann aus Tabelle 1.1 gefolgert werden.

Tabelle 1.1 Vergleich der pneumatischen anhand von Entschcidungskritericn

Förderung mit der mechanischen

Stetigförderung

Entschcidungskritcrium

pneumatische Förderung

mechanische Förderung

Energieverbrauch Förde r weg Guraufgabe

groß durch Gutreibung flexibel in allen Richtungen einfach bei Sauganlagen

Gutbeanspruchung An lagen verschleiß Größe des Korndurchmessers große Korndichte andere Guteigenschaften Aufwand für Antrieb Aufwand für Fördcrwcg Vermischung bei Sortenwechsel staubfreie Förderung

groß bei Flugförderung gering begrenzt

gering häufig nur gerade Wege meistens nur mit Vordosierung gering groß bei hartem Korn bei Bandförderung fast unbegrenzt unbedeutend unbedeutend gering (Getriebemotor) groß (Fördermittel) besondere Reinigungsvorrichtungcn Aspirationsanlage erforderlich schlecht beherrschbar

Energiebedarf steigt an Verstopfungsgefahr groß (Gebläse) gering (Rohr) vermeidbar durch Abluft filier

Gefahr einer Staubexplosion hohe Temperatur

vermeidbar durch Förderung unter Schutzgas möglich hei Sauganlage

Schallemission

a) am Gebläse b) an Förderleitung

kursiv — vorteilhafte Förderung

14

möglich mit Trogkettenförderer gering bei Gummigurt

1.2

Geschichtliche Entwicklung

1.2.1

Überblick über die Literatur zur pneumatischen Förderung

Es würde den Rahmen dieses Fachbuches sprengen, wenn die ganze weltweite Literatur hier aufgeführt werden sollte. Seit den ersten wissenschaftlichen Abhandlungen auf dem Gebiet der pneumatischen Förderung [1.1, 1.2, 1.3, 1.4] sind zahlreiche Veröffentlichungen erschienen, die in ihrer Gesamtheit kaum zu überschauen und an dieser Stelle nicht zu würdigen sind. Deswegen legt sich der Verfasser folgende Beschränkungen auf: a) Die Fachliteratur soll nur genannt und nicht gewürdigt werden, so daß jeder interessierte Leser sich die für ihn wichtigen Veröffentlichungen besorgen und mit deren Literaturverzeichnis weiter suchen kann. b) Der literarische Überblick beschränkt sich auf die deutsche Literatur, ungeachtet der Tatsache, daß wahrscheinlich in jedem industrialisierten Land auf dem Gebiet der pneumatischen Förderung geforscht wird. Es besteht die Möglichkeit, sich anhand von Übersichten [1.5 und 1.6] und Fachbüchern [1.7 bis 1.15] in die inländische und ausländische Literatur einzuarbeiten. Dabei können Reprints von Tagungen [1.16] oder von Zeitschriften [1.17] hilfreich sein. c) Einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der pneumatischen Förderung haben in Deutschland die seit K. WAGNER [1.2] und G. SEGLER [1.4] geschriebenen Dissertationen geleistet (Tabelle 1.2). Aus der räumlichen Zuordnung geht hervor, daß an bestimmten Hochschulen ständig oder mit Unterbrechungen geforscht wird. d) Außerdem sei noch darauf hingewiesen, daß die in jedem Kapitel verarbeitete Literatur im Literaturverzeichnis des Fachbuchs aufgeführt ist. 1.2.2

Entwicklung in der Praxis

Weitgehend parallel zur Entwicklung der Theorie der pneumatischen Förderung hat die Industrie pneumatische Förderanlagen mit, aber auch ohne detaillierte Berechnung gebaut. Dazu haben die Firmen in den vergangenen Jahren sowohl Verfahrensentwicklung (s. Kapitel 5) als auch Komponentenentwicklung (s. Kapitel 6 bis 9) betrieben. Wissen und Erfahrung aus Theorie und Praxis ist Grundlage für den heutigen Anlagenbau auf dem Gebiet der pneumatischen Förderung.

15

Tabelle 1.2 Dissertationen auf dem Gebiet der pneumatischen Förderung in Deutschland, Ort

Jahr

Doktorand

Literatur

Braunschweig

1956 1956 1980 1981

Ackermann Matthies Legel Wagenkni-cht

[1.18| [1.19] [1-20] [1.21]

Stuttgart

1962 1965 1970 1973 1974 1983

Welschof Keunecke Siegel Flatow Finkbeiner Hutt

[1.22] [1.23] [1.24] [1.25] [1.26] [1.27J

Karlsruhe

1954 1957 1958 1959 1961 1964 1965 1965 1966 1966 1970 1 972 1973 1974 1974 1974 1977 1977

Wcidner Günther Rausch Muschelknautz Sawatzki Möller Bö h n et Lemp Weber Lippen Krötsch Schauki Rizk Rink Scholl Dedegil Stegmaier Kerker

[1.28] 11.29] [1.30] [1.31] [1.32] [1.33] [1.34] [1.35] [1.36] [1.37] [1.38] [1.39] [1.40] [1.41] [1.42] [1.43] [1.44] [1.45]

Aachen

1959 1961 1966 1967

Meyer Ostertag Ahland Vossen

|1.46] [1.47] [1.48] [1.49]

Dresden

1925 1958 1963

Wagner Härtung Vollheim

[1.2] [1.50] [1.51]

Berlin

1952 1964 1968 1969 1970 1977

Horstmann Kriegel Schuchart Mühle Piplies Glatze!

[1.52] [1.53] [1.54] [1.55] [1.56] [1.57]

Erlangen

1980

Wirth

[1.58]

16

Grundlagen der pneumatischen Förderung

Im Hinblick auf eine klare Darstellung wird folgende Vereinfachung vorgenommen : a) Nachdem sich das Wort pneumatisch auf Luft bezieht, soll als Fördermittel oder Fluid zunächst Luft zugrunde gelegt werden, was in den meisten Fällen zutrifft. Das Verhalten der Förderung bei anderen Fördermitteln wird in Kapitel 3 behandelt. b) Der Druckabfall längs der Förderleitung wird generell mit Druckverlust bezeichnet. Das deutet bereits auf den nicht unerheblichen Energieverlust der pneumatischen Förderung hin.

2.1

Grundlagen der Strömungslehre

In einer pneumatischen Förderanlage herrschen die Gesetze der Mehrphasenströmung. Die feste Phase (Schüttgut) strömt in der gasförmigen Phase (Luft). Die allgemeinen Gesetze der Strömungslehre sollen hier nicht nochmals abgeleitet werden. Sie werden weitestgehend aus W. BOHL, Technische Strömungslehre [2.1], entnommen. Einige für die pneumatische Förderung wichtige Besonderheiten werden in den folgenden Abschnitten erläutert. 2.1.1

Dynamischer Druck

In Bild 2.1 umströmt Luft in einer Rohrströmung ein sogenanntes Prandtl-Rohr. Mit drei Wasser-U-Rohren mißt man folgende Drücke als Differenzdrücke zur Atmosphäre: a) den Gesamtdruck Apgcs in Richtung der Rohrachse, entgegen der Rohrströmung, b) den statischen Druck Apst in Richtung auf die Rohrwand, c) den dynamischen Druck Ajt>j y „ als Differenz zwischen beiden. Für den dynamischen Druck gilt:

,/V,-AP„ = ^--^

(Gl.2.1)

Der dynamische Druck ist Bezugsgröße für alle Widerstände bei reiner Luftströmung und soll in Kapitel 4 den Berechnungen von pneumatischen Förderanlagen zugrunde gelegt werden.

17

Bild 2.1 DasPrandtl-Rohr/ur

Messung des dynamischen Drucks

2.1.2

Druckverlust bei reiner Luftströmung

Für den Druckverlust bei reiner Luftströmung im kreisrunden Rohr gilt:

M

pi

Api ist proportional zum Staudruck nach Gleichung 2. L Der Druckverlustbeiwert/L ist nach den Messungen von Nikuradse |2.2| und vielen anderen eine Funktion der Reynoldszahl

und der relativen Sandrauhigkeit d/k^ . Diese Abhängigkeit zeigt Bild 2.2. Der Verfasser hat den Druckverlustbeiwert /.] an Versuchsanlagen mit den Rohrdurchmessern 50, 100, 200 und 400 mm und Luftgeschwindigkeiten zwischen 10 und 35 m/s gemessen |2.3|. Die Messungen (Bild 2.3) beziehen sich etwa auf den gesamten Bereich der pneumatischen Förderung. Die Werte liegen nur knapp über denen des technisch glatten Rohrs. Berücksichtigt man, daß bei der pneumatischen Förderung der Druckverlust durch die reine Luftströmung wesentlich kleiner (etwa eine Größenordnung) als der Druckverlust durch die Gutförderung ist (s. Kapitel 4), dann kann mit hinreichender Genauigkeit ~/.\ = 0,02 für alle pneumatischen Förderanlagen gesetzt werden. Bei Inbetriebnahmen von Förderleitungen aus nahtlosen Stahlrohren nach DIN 2448 ist häufig die Rohrrauhigkeit groß. Die Oberfläche wird oft erst nach längerer Förde-

18

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71

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g • ds • />s

(Gl. 2.4) 23

Beispiel: Ermittlung der Schwebegeschwindigkeit von Polyethylengranulat mit folgenden Werten: Korndurchmesser: d$ — 3 mm Korndichte: />s = 1000 kg/m' Luftdichte: /;L = 1,2 kg/m 3 Widerstandsbeiwert: t\v- — ü,6 Mit diesen Werten erhält man ans Cil. 2.4, wenn t% hier im Bereich des quadratischen Widerstandsgesetzes konstant ist: 9,81 -^--0,003 m - 1000 - 3 s2 m 0,6-1,2^

= 7,4 m/s 2.1.5

Druckverlust im Schüttgutbett

In Abschnitt 2.1.3 wurde das Verhalten des sich in der Rohrströmungmehr oder weniger frei bewegenden Einzelkorns qualitativ beschrieben. Die andere Möglichkeit ist, daß sich das Korn in einer Schüttung (Schüttgut!) im Förderrohr aufhält, die von Luft durchströmt wird. Diesen Zustand (Bild 2.10) trifft man bei der Schüttgutlagerung und in vielen Anlagen der Verfahrenstechnik an. Der Druckverlust in einer derartigen Schüttung, die lotrecht oder waagerecht von Luft durchströmt werden kann, ist im VDI-Wärmeatlas beschrieben [2.14]: l

-j

A/

(Gl.2.5)

Bild 2. K) Strömung durch ein Schüttgutbett

24

103

Kurve B (scharfkantige Füllkörper) 2

4 6810° 2

4 6810 1 2

4 6810 2 2 fle =

*/P7

4 6810 3 2

4 6810 4 2

4 6810 5

*"

Bild 2.1 i Druckverlustbeiwert hei Durchströmung einer Schüttung nach [2.I4J

Dabei ist: ss wird mit zunehmender Luftgeschwindigkeit u über dem Auflockerungspunkt geringer und die Betthöhe A/ wird gleichzeitig größer. Das Produkt /A,S -A/ bleibt jedoch wie der Druck Ap in Gl. 2.8 konstant; denn das Gewicht des Bettes ändert sich nicht. Nicht jedes Schüttgut ist fluidisierbar. Je nach Korngröße, Kornverteilung und Kornform liegen die ein Schüttgut kennzeichnenden Luftgeschwindigkeiten O AP zwischen etwa l cm/s bei Zement und l m/s bei Getreide. Fluidisierbares Fördergut läßt sich besser pneumatisch fördern als nicht fluidisierbares. Dennoch ist die Größe von t;AP kein Maß für die Güte der pneumatischen Förderung. Die Fließbett-Technologie liegt vielen verfahrenstechnischen Prozessen zugrunde (z.B. der Fließbetthomogenisierung, der Kohlestaubverbrennung u. a.). Sie hat bereits zu mehreren tausend Patenten geführt, ausgehend von der Winklerschen Wirbelschicht. Der Einfluß auf die pneumatische Förderung wird in Kapitel 5 noch näher beschrieben.

26

2.2

Zustandsdiagramm der pneumatischen Förderung

2.2.1

Zur Frage der Allgemeingültigkeit

Das Zustandsdiagramm soll die Förderzustände, die sich beim Transport des Förderguts im Luftstrom einstellen, möglichst anschaulich darstellen. Es hat sich bewährt, im Zustandsdiagramm den Druckverlust A/7 über der Luftgeschwindigkeit u bei konstanten Gutmassenströmen Qs aufzutragen. Diese Darstellung sollte der erste Schritt sein, bevor man zur Auftragung von abgeleiteten Größen (z. B. dem Widerstandsbeiwert über der Ähnlichkeitszahl) übergeht. Dazu muß zuerst die Allgemeingültigkeit dieser Auftragung für ein Fördergut bei allen Parametern (Luftgeschwindigkeit, Rohrdurchmesser, Gutmassenstrom, Luftdichte) nachgewiesen sein. Sollte das gelingen, hat

Bild 2.13 Zustandsdiagramm einer pneumatischen Versuchs-Förderanlage mit folgenden Daten: Fördergut: PE-Granulat Rohrdurchmesser 84 mm Förderlänge: 119 m Förderhöhe: 6m Anzahl der Krümmer: 10

bar

o Q

10

15

20

25

Luftendgeschwindigkeit v

immer noch jedes Fördergut mindestens je ein eigenes Zustandsdiagramm für die waagerechte und die lotrechte Förderung. Da es jedoch nicht möglich ist, die Luftdichte längs des Förderwegs konstant zu halten, wird man auch in Zukunft nur mit großen Einschränkungen allgemeingültige Zustandsdiagramme als Auslegungsunterlagen für pneumatische Förderanlagen erstellen können. Das nach Meßwerten an einer bestimmten pneumatischen Förderanlage erstellte Zustandsdiagramm nach Bild 2.13 ist also quantitativ nicht übertragbar. Es soll aber der weiteren Erklärung zugrunde gelegt werden.

27

30 m/s 35

2.2.2

Grenzkurven

In Bild 2.13 ist der Druckverlust über der Luftgeschwindigkeit bei konstantem Gutmassenstrom für ein bestimmtes Polyäthylengranulat in einer bestimmten Förderanlage aufgetragen. Die Kurven Qs — konst. haben in allen Richtungen des Koordinatensystems Begrenzungen: a} In Richtung + t; gehen sie bis ins Unendliche. Dabei muh' man allerdings bedenken, daß bei hohen Luftgeschwindigkeiten (L. B. über 40 m/s) die meisten Körner zerschlagen werden. b} In Richtung — p ist die Grenzkurve A die Kurve Qs = 0, unterhalb der kein Schüttgut mehr gefördert wird. Die Kurve Qs = 0 entspricht Gl. 2.2 mit den Werten der Förderanlage nach Bild 2.13, c) In Richtung — » enden die Kurven Qs — konst. auf der Grenzkurve B in Bild 2.13, unterhalb derselben der Luftstrom nicht mehr ausreicht, um das Fördergut durch die Anlage zu fördern. Diese Kurve wird von den Kurven Qs — konst. geschnitten und nicht asymptotisch angenähert, wie bisweilen in der Literatur zu lesen ist. Unterhalb der Grenzkurve B ist zwar noch eine Förderung möglich, aber nicht mit dem genannten Gutmassenstrom. Endgültig beendet ist jedoch jede Gutbewegungbei der Luftgeschwindigkeit t; am Auflockerungspunkt. Bei noch kleineren Luftgeschwindigkeiten wird das Festbett in der lotrechten Leitung lediglich durchströmt aber nicht mehr aufgelockert. Zwischen der Kurve tj,\p und der Grenzkurve B bildet sich ein Fließbett, je nach Fördergut eventuell mit einer brodelnden Wirbelschicht [2.15]. d) Es gibt auch in Richtung + p eine obere Grenzkurve, oberhalb derselben das Fördergut nicht mehr in der gewünschten Menge in die Förderanlage eingeschleust werden kann. Das kann zum einen auf der konstruktiven Gestaltung der Einschleusung beruhen, zum anderen darf der Luftvolumenstrom einen gewissen Mindestwert nicht unterschreiten. Wenn durch das Fördergut keine Luft in die Förderanalage gebracht wird, muß mindestens der Hohlraumanteil (// zwischen den Körnern gefördert werden. Dieser beträgt bei kugeligen Körnern nach Messungen des Verfassers [2.3] 40 bis 50% des Gesamtvolumens. Berücksichtigt man, daß die Luftgeschwindigkeit stets etwas größer als die Gutgeschwindigkeit ist, dann wird es unmöglich, einen Schüttgutvolumenstrom in die Förderanlage einzuschleusen, der größer als der Luftvolumenstrom ist. Diese absolut höchste Grenze wird jedoch so gut wie nicht erreicht, stellt aber einen Grenzwert für sehr leichte Fördergüter wie z.B. Schaumpolystyrolperlen dar. Andererseits werden beispielsweise in der Mineralstoffindustrie schwere Fördergüter bis zu Beladungen von 1000 kg/s Fördergut je kg/s Luft gefördert. Das entspricht der Tatsache, daß die Schüttdichte durchaus drei Größenordnungen höher als die Luftdichte sein kann.

Bild 2.14 Flugförderung Fördergut:

Luftgeschwindigkeit: Geschwindigkeitsverhältnis:

waagerecht

lotrecht

Weizen

25 m/s

o

clv 0,7 V

O

O

io

ttttt 2.2.3

Flugförderung

Die Flugförderung (Bild 2.14) ist die klassische Art der pneumatischen Förderung. Infolge der hohen Luftgeschwindigkeit und der in Abschnitt 2. l .3 beschriebenen Kräfte auf das Einzelkorn fliegt dasselbe annähernd gleichmäßig über den Rohrquerschnitt verteilt im Luftstrom. Die Einzelkörner treffen in regelmäßigen Abständen auf die Rohrwand und bisweilen auf ein zweites Korn. Da die Luftgeschwindigkeit von etwa 20 bis 35 m/s die Schwebegeschwindigkeit von gewöhnlich unter 10 m/s wesentlich übersteigt, besteht keine Gefahr, daß das Korn in der Lotrechten zurückfällt. Dennoch trifft die häufig gelesene Behauptung, daß die Luftgeschwindigkeit gleich der dreifachen Schwebegeschwindigkeit sein soll, nicht zu. Der Verfasser hat beispielsweise Ackerbohnen mit einer Schwebegeschwindigkeit von 13,6 m/s bei Luftgeschwindigkeiten von 16 bis 18 m/s gefördert [2.3]. Der Druckverlust bei Flugförderung mit konstantem Gutmassenstrom verläuft im wesentlichen parallel zur Kurve des Druckverlusts bei reiner Luftströmung (Bild 2.13). Diese Tendenz konnte der Verfasser bei der Förderung von 11 Fördergütern in 4 Förderanlagen mit 50 bis 400 mm Rohrdurchmesser feststellen [2.3]. Die mögliche Gutbeladung/; begrenzt den Förderzustand der Flugförderung. Frühere Werte « = -i^=10

(«. 2.9)

werden heute wesentlich überschritten. Dennoch setzt man als Grenze // = 30, oberhalb der die Körner nicht mehr gleichmäßig verteilt durch das Rohr springen. Bei pneumatischen Schiffsentladeanlagen im Saugbetrieb wurden bereits Beladungen bis zu // = 28 gemessen. Es können jedoch nicht alle Fördergüter mit hoher Beladung gefördert werden, insbesondere nicht feinkörnige, kohäsive Schüttgüter.

29

Bild 2.1.5 Struhnenfon.len.ing a) Fördergut Weizen bei i; — 17,4 m/s nach [2-12] b) Fördergut Quarzmehl nach [2.16]

2.2.4

Strähnenförderung

Senkt man die Luftgeschwindigkeit auf unter 20 bis 23 m/s, bewegt sich das Einzelkorn zunehmend mehr in der unteren Rohrhälfte, Es fällt je nach Korngröße und Korndichte aus dem Luftstrom und bewegt sich zum Teil als Strähne durch die Förderleitung (Bild 2.15). Bei körnigem Fördergut ist die Strähne eine Anhäufung der Körner. Sie ändert sich zeitlich und bildet Rallen und auch Pfropfen (s. Abschnitt 2.2..5}. G. WELSCHOF [2.12] hat in detaillierten Messungen nachgewiesen, daß mit zunehmender G u t b e l a d u n g und abnehmender Luftgeschwindigkeit das Strömungsprofil der Luft über dem Rohrquerschnitt asymmetrisch wird. Die Luft strömt dann vor allem in der oberen Rohrhälfte. E. MUSCHELKNAUTZ und W. K.RAMBROK [2.16] beobachten bei der Förderung von Quarzmehl eine sich als Fließbett langsam am Rohrboden bewegende Schüttgutschicht. Dabei herrscht überhalb dieser Strähne Flugförderung. Es kann sogar sein, daß sich unter der bewegten Strähne eine feste Schüttgutschicht ablagert. An Entstaubungsleitungen von 3 m Durchmesser wurde z. B. beobachtet, daß sich das Rohr so weit stationär füllt, bis im Restquerschnitt die für die pneumatische Flugförderung erforderliche Luftgeschwindigkeit herrscht. Im Bereich der Strähnenförderung hat der Druckverlust ein M i n i m u m . Etwas unterhalb des Druckverlustminimums liegt der Punkt minimalen Energieverbrauchs; denn die für die Förderung erforderliche Gebläseleistung ist, inkompressibel gerechnet, gleich dem Produkt aus Druckverlust und Luftvolumenstrom. Der Betriebspunkt für eine pneumatische Förderanlage wird meistens bei etwas höherer Luftgeschwindigkeit gewählt, da in Richtung auf kleinere Luftgeschwindigkeiten an die Strähnenförderung ein instabiler Bereich anschließt (s. Abschnitt 2.2.6). F. RIZK [2.17] errechnet eine Beziehung für die Luftgeschwindigkeit im Druckverlustminimum und empfiehlt die Auslegung von pneumatischen Förderanlagen bei diesen Luftgeschwindigkeiten. Die Grenze der Strähnenförderung in Richtung auf kleine Luftgeschwindigkeiten ist die Stopfgrenze. Diese wurde von G. SEGLER [2.18] bereits 1933 als die Geschwindigkeit ermittelt, bei der erstmals Fördergut im Rohr liegen blieb. Die Erfahrungen der vergangenen Jahre haben jedoch gelehrt, daß die Stopfgrenze keine von der Förderanlage

30

unabhängige Größe ist. Sie hängt besonders von der Gebläsekennlinie ab (s. Abschnitt 2.5). Damit kann die an einer bestimmten Anlage gemessene Stopfgrenze nicht auf eine andere Förderanlage übertragen werden. 2.2.5

Pfropfenförderung

Die seit etwa 15 Jahren gebauten pneumatischen Pfropfen-Förderanlagen beweisen, daß dieser Förderzustand ein stabiler Zustand ist. Füllt man ein Rohr mit Schüttgut an und bläst Luft durch das Schüttgutbett, dann hat die Luft das Bestreben, die Schüttgutsäule in Pfropfen aufzulösen. So mußte G. WEI.SCHOF [2.12] eine Zellenradschleuse am Ende der Förderleitung einbauen, um die sogenannte Dichtstromförderung zu realisieren. Sonst hätte ihm die Porenströmung durch die Weizenkörner die Schüttgutsäule in Pfropfen zerlegt. A. LIPPERT [2.19] weist darauf hin, daß die erforderliche Kraft und damit die Druckdifferenz, um einen Pfropfen zu verschieben, nicht linear, sondern quadratisch mit der Pfropfenlänge zunimmt (Bild 2.16). Die den Pfropfen zusammenhaltende Wandreibung verläuft demnach von Punkt l zu Punkt 2 unterproportional. Strömt nun durch die Druckdifferenz Luft in den Poren des Schüttguts, dann nimmt der Druck zwischen den Punkten l und 2 nach Gleichung 2.7 linear bei inkompressibler und überproportional bei kompressibler Strömung mit der Pfropfenlänge ab. Die Differenz zwischen den Kurven b und a wirkt als innere Kraft auf den Pfropfen und versucht, ihn vom Ende her zu splitten.

Bild 2.16 Die Entstehung eines Schüttgutpfropfens nach [2.19] a erforderlicher Druck zur Verschiebung des Pfropfens der Länge A/p b Druckverlauf bei der Pfropfendurchströmung nach Gl. 2.7

31

Würde der Pfropfen nach Bild 2.16 den ganzen Rohrquerschnitt ausfüllen, dann müßte er durch seinen inneren Druck infolge der Porenströmung unmittelbar in viele Scheiben zerfallen. Da jedoch im oberen Rohrquerschnitt die Schüttung lockerer ist, strömt hier mehr Luft als in der unteren Rohrhälfte. Die Frequenz und damit die Lange der Pfropfen ist über die Förderlänge durchaus nicht konstant, was R. FELLMLTH an einer Förderanlage mit 50 mm Rohrdurchmesser gemessen hat [2.20]. Vielmehr zerfallen die Pfropfen in der Förderleitung und bauen sich immer wieder neu auf. Interessant ist auch der Zustand der Pfropfenförderung im lotrechten Rohr. Das Finzelkorn ließe sich mit einer Luftgeschwindigkeit von unter 8 m/s (PE-Granulat) nicht mehr lotrecht fördern, da es nach Abschnitt 2.1.4 eine Schwebegeschwindigkeit von 7,4 m/s hat. Nach Bild 2.13 kann die Fördergeschwindigkeit durchaus 2 und 3 m/s betragen. In diesem Fall schieben sich die Pfropfen init z.B. l m/s Geschwindigkeit durch das lotrechte Rohr hoch. Dabei fallen von der Unterseite des vorhergehenden zur Oberseite des nachfolgenden Pfropfens ständig Körner herunter. Aus Bild 2.13 läßt sich entnehmen, daß zur Pfropfenförderung von PE-Granulat etwa die dreifache Druckdifferenz und ein Drittel der Luftmenge wie zur Flugförderung nötig sind. Das ändert sich selbstverständlich mit dem Fördergut, dem Förderweg und dem Rohrdurchmesser. Mit der Gebläseleistung bei inkompressibler Berechnung

(Gl. 2.10}

P= Ap - V

wird der Energiebedarf bei Pfropfenförderung annähernd gleich wie hei FlLigförderung. Das heißt, daß das Kriterium der Leistungsersparnis die Entscheidung für oder gegen eine Pfropfen-Förderanlage nicht wesentlich beeinflußt.

2.2.6

Instabiler Bereich

In Bild 2.13 ist zunächst keine Aussage über die Geschwindigkeitsänderung durch den Druckabfall längs der Förderleitung gemacht. Ist der Druckverlust beispielsweise in einer Förderleitung 2 bar, ergibt sich ein Druckverhältnis des Luftzustandes vorn Anfang zum Ende der Leitung von 3 : 1 . Bei gleichem Rohrdurchmesser und isothermer Zustandsänderung ist die Luftgeschwindigkeit proportional zum Druck. Und man erhält bei einer Anfangsluftgeschwindigkeit eine Endluftgeschwindigkeit

n\ — 6 m/s ib = 18 m/s.

Demnach würde sich am Anfang eine Pfropfenförderung und am Ende eine Strähnenförderung einstellen. Beide Förderungen sind, wie in den Abschnitten 2.2.2 bis 2.2.5 beschrieben, sehr unterschiedlich. Anhand der Kurven Qs = konst. läßt sich aus Bild 2.13 ersehen, daß der Übergang von der Flugförderung in die Strähnenförderung stetig ist. Bei weiterem Absenken der Luftgeschwindigkeit schlägt die Förderung am Anfang der Förderanlage, wo die geringste Luftgeschwindigkeit herrscht, plötzlich in den Zustand der Pfropfenförderung um. Dieser Übergang ist unstetig, da die Pfropfenförderung ein anderer Zustand mit anderen Strömlingsgesetzen und dem dreifachen

32

Druckverlust ist. Auf den höheren Druck reagiert das Gehläse, indem es entsprechend der Gehläsekennlinie Ap (V) eine geringere Luftmenge liefert. Dadurch sinkt die Luftgcschwindigkeit abermals ah, und der Umschlagspunkt von der Flugförderung zur Pfropfenförderung wandert weiter zum Ende der Förderleitung h i n . Dieser Vorgang ist stark abhängig von der Steilheit der Gehläsekennlinie (s. Abschnitt 2.5). Früher hat man darauf nicht geachtet, so daß in Unkenntnis der Zusammenhänge manche Förderanlage verstopft ist. Wie bereits in Abschnitt 2.2.4 erläutert wurde, ist die von G. SKGI.HR 2.18 beschriebene Stopfgrenze abhängig von der Förderanlage und vor allem vom Gebläse. Aus diesem Grunde endeten auch die zahlreichen Zustandsdiagramme des Verfassers in [2.3] an der unteren Grenze der Strähnenförderung. Heute ist man in der Lage, die Luftversorgung einer pneumatischen Förderanlage so auszulegen, daß die Luftmenge und damit die Luftgeschwindigkeit unabhängig vom schwankenden Gegendruck ist (Abschnitt 6.6). Das heißt bei richtiger Auslegung liefert eine solche Luftversorgung dieselbe Luftmenge, ganz gleich ob die anschließende Förderung im Zustand der Flugförderung oder der Pfropfenförderung erfolgt. Jedoch ist auch hier noch der Einfluß des Drucks auf die Luftgeschwindigkeit in der Förderleitung zu berücksichtigen. Dennoch ist der Umschlagspunkt von der Flugförderung in die Pfropfenförderung nicht stationär, da die Pfropfenförderung ja nur stationär ist, wenn man größere Zeiten betrachtet. In Zeitintervallen von wenigen Sekunden ist sie instationär. So ist auch der Umschlagspunkt von einem Förderzustand in den anderen zeitlich und örtlich nicht fest. Er kann z.B. einmal vor und einmal hinter einem Rohrkrümmer liegen. So erklärt sich, daß dieser Übergangsbereich von der Pfropfcnförderung in die Strähnen- und Flugförderung instabil ist. Selbst wenn man die Luftversorgung einer Förderanlage unabhängig vom schwankenden Gegendruck gestaltet, sollte man diesen instabilen Bereich für die Auslegung und den Betrieb einer pneumatischen Förderanlage meiden. 2.2.7

Fließförderung

Das Schüttgut, bzw. das Fördergut, verhält sich in seinen Eigenschaften manchmal wie ein Festkörper und manchmal wie eine Flüssigkeit. Ein flüssigkeitsähnliches Verhalten stellt sich bei fluidisierbaren Schüttgütern im Fließbett ein (Abschnitt 2.1.6 und Bild 2.12). Hat ein solches Schüttgut noch ein gutes Lufthaltevermögen, dann läßt es sich ähnlich wie Wasser durch eine pneumatische Förderanlage «pumpen» [2.21 ]. Wasser kann übrigens auch pneumatisch gefördert werden. In diesem Fall erhält man ein Zustandsdiagramm ohne Pfropfenförderung und ohne instabilen Bereich (Bild 2.17). Dieses Diagramm ist ähnlich dem der Strömung eines Fluids nach Gl. 2.2, bei dem die Dichte des Fluids nicht gleich 1,2 kg/m', sondern ein Vielfaches davon ist. Dabei sei die Kompressibilität der Luft vernachlässigt und das Fördergut gleichmäßig über den Rohrquerschnitt verteilt. Auch bei pneumatischen Förderungen im Hochdruckbereich (z. B. mit Stickstoff unter 30 bar Druck) konnte ein ähnliches Zustandsdiagramm gemessen werden.

33

Bild 2.17 Zusrandsdiagramm bei Fl i eis Förderung

Luftgeschwindigkeit v

2.3

Fördergut in der Förderanlage

Die grundsätzliche Funktion einer pneumatischen Förderanlage zeigt Bild 2.18 am Beispiel einer pneumatischen Druckförderanlage: Ein Geblase a bringt die aus der Atmosphäre angesaugte Luft auf den zur Förderung nötigen Druck. Infolge des Überdrucks strömt Luft durch die Förderleitung c. Gegen den Druck schleust eine Zellenradschleuse b das Fördergut in die Förderleitung ein. Förderluft und Fördergut strömen durch die Förderleitung in den Abscheider d, der das Gut von der Luft trennt. Die Luft strömt durch die Reinluftleitung wieder ins Freie. Das Fördergut verläßt den Abscheider und wird danach gelagert, gefördert oder verarbeitet. Die Bewegung des Förderguts ist bedingt durch das Fördermittel und die konstruktive Ausführung der Förderanlage. Das soll in den folgenden Abschnitten beschrieben werden. Bild 2.18 Schema einer pneumatischen Druck Förderanlage a Gebläse b Förderguteinschleusung c Fürderleitung d Fördcrgutabscheidung c Reinluftleitung

34

2.3.1

Gutbeschleunigung

Bevor das Fördergut beschleunigt werden kann, muß zunächst die Gewähr bestehen, daß es auch tatsächlich in die Förderleitung gelangt. Die Voraussetzungen dafür sind: a) Der Einlaufquerschnitt muß möglichst groß sein. b) Die Zulaufgeschwindigkeit des Förderguts soll nicht zu gering sein und möglichst eine Komponente in Förderrichtung haben. Das läßt sich durch eine Einlaufschräge erreichen. c) Die Schleusenleckluft entgegen dem zulaufenden Gutstrom ist unvermeidlich. Sie sollte aber unter Berücksichtigung von Abschnitt 2. l .5 so klein wie möglich gehalten oder separat geführt werden. d) Eine Einschleusung in die Waagerechte ist der in die Lotrechte nach oben vorzuziehen, da die Beschleunigung in der Waagerechten schneller erfolgt. Außerdem muß das herabströmende Fördergut dann nur 90° anstatt 180° umgelenkt werden. Eine Ausnahme macht hier das Druckgefäß mit der Entleerung nach oben (Abschnitt 7.6.2.2). e) Eine Einschleusung in eine lotrecht oder schräg nach unten führende Förderleitung hat stets Vorzüge, da das Fördergut bereits durch den freien Fall beschleunigt wird. Dem steht die größere Bauhöhe entgegen. Grundsätzlich ist zu beachten, daß der realisierbare Gutmassenstrom beim Eintritt in die Förderleitung an der Stelle eingestellt (dosiert) wird, wo das geringste Produkt aus der Gutgeschwindigkeit c mal dem Querschnitt A sich nach folgender Gleichung ergibt:

(Gl. 2.11) 2.3.1.1

Gutbeschleunigung bei Flugförderung

Wenn das Fördergut in der Förderleitung angelangt ist, wird es vom Luftstrom erfaßt und durch die Umströmung mit der Differenzgeschwindigkeit v — C beschleunigt. Die Beschleunigungskraft ist am Anfang am größten und nimmt mit steigender Gutgeschwindigkeit c ab. Für ein Polyethylengranulatkorn ist diese bei hoher Luftgeschwindigkeit (v = 30 m/s) nach Gl. 2.4 und dem Beispiel in Abschnitt 2.1.4:

7,4

Bei 30 m/s wird das Korn also mit 16 g anfangs beschleunigt, und bei 15 m/s an der unteren Grenze der Strähnenförderung immerhin noch mit der 4 fachen Erdbeschleunigung ( 4 g ) . Hätte das Granulatkorn die Gutgeschwindigkeit c = 0 m/s, könnte nach Gleichung (2.11) nichts eingeschleust werden. Es muß also beim Eintritt in die Förderleitung eine gewisse, wenn auch kleine Gutgeschwindigkeit in Förderrichtung vorhanden sein. Bei kleiner Gutgeschwindigkeit ist der Abstand der Körner voneinander geringer. Der

35

^\oo

N

^v

* °°o8 °

o

O °

O

3000 ?> S °0 0

c O ° 0°

O

Bild 2. 19 Die Gutsrrömung in der BeschleLinigungssrrecke

°

Granulatschleier wird längs der folgenden Beschleunigungsstrecke mit wachsender Gutgeschwindigkeit auseinandergezogen (Bild 2.19). Mit den zahl reichen Kräften auf das Einzelkorn nach Abschnitt 2.1.3 bewegen sich die Körner nicht nur axial, sondern auch radial. Sie treffen auf die Wand und geben einen Teil ihrer Energie beim Wandstoß ab. Vernachlässigt man die Wandreibung in der Beschleunigungsstrecke und die Reibung der Körner untereinander, dann läßt sich für den Verlauf der Gutgeschwindigkeit längs der waagerechten Förderleitung folgende Beziehung angeben:

(Gl. 2.12) Diese Gleichung, die nicht nach c explizit aufgelöst werden kann, ist in Bild 2.20 für das Fördergut Polystyrolgranulat aufgetragen. Darin ist ersichtlich, daß auch nach einer Förderlänge von 30 bis 40 m die Gutgeschwindigkeit kleiner als die Luftgeschwindigkeit ist. Unter den hier vorgenommenen Vernachlässigungen steigt die Gutgeschwindigkeit bis ins Unendliche weiter an. Durch Messung und Rechnung [2.3 ] konnte der Verfasser allerdings nachweisen, daß der auf die Rohrlänge bezogene Druckverlust A/?/A/ bei Sämereien und Kunststoffgranulaten nach einer Rohrlänge von 8 m hinter der Einschleusung bereits konstant war. Das heißt bei den meisten Fördergütern ist die Beschleunigung nach etwa 8 m Förderweg abgeschlossen. Stahlkugeln benötigten wegen der großen Korndichte ps allerdings 15 m und mehr zur Beschleunigung. Den Anlagenbauer interessiert nun die Frage, wieviel gerade Meter Förderrohr nach der Finschleusung für die Förderleitung vorzusehen sind. Diese Frage kann nicht quantitativ beantwortet werden. Es laufen pneumatische Förderanlagen, wo unmittelbar nach der Einschleusung ein Rohrkrümmer m die Lotrechte führt. Dabei muß sowohl Gl. 2.11 eingehalten als auch darauf geachtet werden, daß die Luftgeschwindigkeit nach der Einschleusung nicht zu gering ist. Gegebenenfalls ist die kurze Waagerechte und der Rohrkrümmer mit kleinerem Durchmesser auszuführen. 8 m Waagerechte nach der Einschleusung stehen häufig nicht zur Verfügung, Dennoch sind 2 m Waagerechte besser als der Rohrkrümmer direkt nach der Einschleusung. Dazu muß allerdings bemerkt werden, daß der Rohrkrümmer direkt nach der Einschleusung einen geringeren Druckverlust bedingt; denn das Eördergut wird zwischen Einschleusung und Rohrkrümmer nicht voll beschleunigt. Der günstigsten Förderung bei ausgebauter Beschleunigungsstrecke steht also ein höherer Druckverlust gegenüber.

36

Rohrlänge / nach der Einschleusung

*-

Bild 2.20 Theoretischer Verlauf der Gutgeschwindigkeit nach der Einschleusung ohne Rohrreibung nach Gl. 2.12 für Polystyrolgranulat mit wsL-h = 6,5 m/s

2.3.1.2

Gutbeschleunigung bei Pfropfenförderung

Bei der Pfropfenförderung reicht die Luftgeschwindigkeit von 2 bis 8 m/s nicht aus, das eingeschleuste Fördergut sofort zu transportieren. Es lagert sich am Rohrboden ab, bewegt sich mit dem nachfolgenden Fördergut langsam nach vorne und bildet einen Pfropfen. Die eigentliche Förderung beginnt erst dann, wenn der Pfropfen eine gewisse Länge erreicht hat, so daß er fast den ganzen Rohrquerschnitt ausfüllt. Dann baut sich zwischen Ende und Anfang des Pfropfens ein Differenzdruck auf, der nach Gl. 2.7 groß genug ist, den Pfropfen zu verschieben. Die Pfropfen zerfallen längs der Förderleitung und bilden sich in der Lotrechten wieder neu. Die Pfropfengeschwindigkeit von etwa l bis 3 m/s liegt sowohl unter der Luftgeschwindigkeit als auch unter der Schwebegeschwindigkeit des Einzelkorns. Da die Geschwindigkeiten bei der Pfropfenförderung klein sind, erhält man hier keinen zusätzlichen Druckverlust für die Gutbeschleunigung. Mehr oder weniger regelmäßig bleiben auch die Pfropfen in der Förderleitung liegen. Die Geschwindigkeiten bei der Einschleusung entsprechen denen, wenn sich in der Förderleitung ein Pfropfen neu bildet. Hier unterscheidet sich die Pfropfenförderung grundsätzlich von der Flugförderung, wo der zusätzliche Druckverlust bei der Gutbeschleunigung etwa dem Druckverlust in 20 m waagerechter Förderung entspricht.

37

2.3.2

Beharrungszustand

Der Beharrungszustand ist ein quasi stationärer Zustand bei Flug- und Strähnen förderung. Die einzelnen Körner werden zwar heim Stoß auf die Rohrwand und auf ein anderes Korn ständig abgebremst und wieder beschleunigt. Dieser Vorgang mittelt sich jedoch über die Förderlänge derart, daß man eine mittlere Gutgeschwindigkeit c im Beharrungszustand messen kann. Diese Gutgeschwindigkeit hedingt einen konstanten Druckabfall über dem Förderweg bei inkompressiblen Strömungen (Bild 2.21). Ap A

Bild 2.21 Druckverlauf über der Rohrlänge

Beschleunigungsstrecke

2.3.2.1

Beharrungsstrecke A/

Bcharrungszustand bei waagerechter Förderung

Der Verfasser hat wie viele andere Autoren zahlreiche Messungen des Druckverlustes im Beharrungszustand bei waagerechter pneumatischer Förderung durchgeführt [2.3] und dabei die Einflußparameter systematisch variiert. Der durch die Gutförderung bedingte zusätzliche Druckverlust Aps ist eine Funktion der Anströmgeschwindigkeit der Körner im Luftstrom. Für das Verhältnis der Gut- zur Luftgeschwindigkeit clv folgt aus den gemessenen zusätzlichen Druckverlusten nach [2.3]:

(G!. 2.13)

9-Qs-A/ Mit Gl. 2.13 und den oben angegebenen Messungen erhält man das Geschwindigkeitsverhältnis clv in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit o nach den Bildern 2.22, 2.23 und 2.24. Aus diesen Bildern läßt sich folgendes schließen: D Bei Flugförderung ist das Geschwindigkeitsverhältnis clv größer als bei Strähnenförderung.

38

a

B,ld2.22 Gcschwindigkeitsverlauf c/u nach [2.3] bei waagerechter Förderung von Sämereien mit den Werten:

Korn- Korndichte jj; durch- g; in kg/m' «

~ oj •* D) T3 ?=

messer j • c/s m mm

a Hornschotenklee 1.14 b Sommerraps 1,92 c Weizen 4,0 d Winterwicken 3,44 e Bitterlupinen 6,1

1420 1140 1380 1390 1340

Geschwindigkeitsverlauf du nach [2.3] bei waagerechter Förderung von Schüttgütern verschiedener Korndichte mit den Werten: Korn- Korndichte durch- os in kg/m 1 messer ös m mm a Polystyrolgranulat 1,02 b Hornschotenklee 1,14 c Glaskugeln 1,14 d Stahlkugeln 1,08

1070 1420 2990 78.50

^^b n ^^=^ — d e ^=

^ 0_8 ^3 -2 = Qg

l?»^

Z

^^ /

n, A

U H

/

•^g un>^? -g Sg ü

°()

5

10

15

20

25

Luftgeschwindigkeit v

30 m/s 3 *•

i

0,8 "5 •= fr rt c g ' j> -•2s u04 ''1 -^ Q^ ^ J °.2 -g « 0 C)

a -b

— —— =— =' ~-—-—'

.

X

5

10

15

_—

—c

_-—

—d

^

20

25

30 m/s 3

25

30 m/s 35

Luftgeschwindigkeit v

Bild 2.24 Geschwindigkcitsverhältnis c/u nach [2.3] bei waagerechter Förderung von Weizen in Anlagen mit verschiedenem Rohrdurchmesser d a d = 50 mm b d= 100 mm c d = 200 mm d d = 400 mm

1,0

0,8

0,6 l

als grobkörnige. Das gilt allerdings nur für frei fliegende Körner und nicht für Strähnen. D Ein schweres Fördergut strömt langsamer durch die Förderanlage als ein leichtes. D Im Rohr mit größerem Rohrdurchmesser bewegen sich die Körner etwas schneller als im Rohr mit kleinerem Durchmesser. 2.3.2.2

Bcharrungszustand bei lotrechter Förderung

Im lotrechten Rohr tritt bei der Förderung nach oben ein erhöhter Druckverlust durch die Überwindung der Schwerkraft auf. Andererseits ist der Energieverlust durch die WandstÖße geringer, da die Schwerkraft axial gerichtet ist. So läßt sich das die Flug- und Strähnenförderung kennzeichnende Druckverlustminimum bei lotrechter Förderungg auch unter Vernachlässigung der Wandrcibung theoretisch errechnen [2.22]. J. FLATOW [2.22] und R. VOLLHEIM [2.23] messen, daß der Beharrungszustand bei Flugförderung erst nach 12 m Beschleunigungsstrecke eintritt. Vollheini ermittelt im Beharrungszustand im lotrechten Rohr die Gutgeschwindigkeit c als den ohne Wandreibung zu erwartenden Wert:

Nach Gl. 2.14 ergibt sich damit kein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis ein im lotrechten Rohr. Deswegen erhielt auch FLATOW keinen konstanten Faktor, als er den Druckverlust im lotrechten Rohr durch den im waagerechten Rohr dividierte. Der bisweilen mit 1,6 bis 2 angegebene Wert ist also pauschal so nicht richtig. 2.3.3

Gutumlenkung im Rohrkrümmer

Im Gegensatz zur mechanischen Förderung kann bei der pneumatischen Förderung die Förderrichtung auf einfache Weise im Rohrkrümmer umgelenkt werden. Dabei trennt sich bei Flugförderung das Fördergut vom Luftstrom (Bild 2.25). 2.3.3.1

Krümmcrströmung

Die Förderluft folgt im wesentlichen dem Rohrkrümmer, während das Fördergut infolge seiner Trägheit diese Umlenkung nicht mitmacht und auf die Krümmerwand prallt [2.24], Beim ersten Auftreffen des Förderguts auf die Krümmeraußenwand verliert es einen Teil seiner kinetischen Energie. Der größte Anteil des Förderguts gleitet an der Krümmeraußenwand bis zum Krümmeraustritt. Er wird anschließend vom Luftstrom erfaßt und bei Flugförderung wieder gleichmäßig über den Rohrquerschnitt verteilt. Insbesondere bei elastischem Fördergut und großem Krümmungsradius springt ein Teil des Förderguts an die Innenwand des Krümmers. Oder das Fördergut bewegt sich in Sprüngen an der Krümmeraußenwand durch das Rohr (Bild 2.26).

40

Bild 2.25 Die Gutumlenkung im Rohrkrümmer

Bild 2.26 Drei Möglichkeiten der Bewegung des Einzelkorns im Rohrkrümmer

2.3.3.2

Krümmer-und Gutverschleiß

Beim ersten Auftreffen des Einzelkorns auf die Krümmeraußenwand werden Korn und Wand besonders stark beansprucht. Die hohen Geschwindigkeiten der Flugförderung (28 m/s entsprechen 100 km/h) führen an dieser Stelle oft zu Bruchkorn und Kornverschleiß. Umgekehrt ist bei abrasivem Fördergut der Anlagenverschleiß an dieser Stelle besonders hoch (Bild 2.27 sowie [2.25 und2.26J). Dieser läßt sich verringern, wenn man den Rohrkrümmer mit einer besonders tiefen künstlichen Verschleißmulde ausführt, so daß das Fördergut liegen bleibt und Schüttgut auf Schüttgut prallt.

Bild 2.27 Verschleiß am Rohrkrümmer

Verschleißmulde und ' 1. Gutaustritt

41

Bild 2.28 Rohrkrümmer mit zwei Auftreffpunkten nach [2.27]

2.3.3.3

Krümmergcometrie

K.WAGNFR [2.27| ging davon aus, daß das auf die Krümmeraußenwand prallende Korn sich als idealisierte elastische Punktmasse verhält, so daß Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist. Bei zwei Auftreffpunkten (Bild 2.28) erhält man damit ein Verhältnis des Krümmungsradius R zum Rohrdurchmesser d:

R:d= 6,07

{Gl. 2.15)

So setzen manche Hersteller von pneumatischen Förderanlagen grundsätzlich Rohrkrümmer mit R : d = 6 ein. Das ist jedoch nach den Ausführungen zu Abschnitt 2.3.3.1 nicht zwingend, da die Körner im Rohrkrümmer gewöhnlich nicht springen, sondern gleiten. Bei Flugförderung ist wesentlich, daß der Krümmungsradius nicht zu klein ist. Für die meisten Einsätze ist das Ergebnis nach Gl. 2.15 ein Minimum. Dieses wird aus baulichen Gründen bis zu K : d = 4 bisweilen noch unterschritten. Für die Einphasenströmung werden im Handel übliche Rohrkrümmer mit R : d — 2,5 oder 1,5 angeboten. Diese sind jedoch wegen der größeren Verstopfungsgefahr hei der pneumatischen Flugförderung nicht zu empfehlen. Häufig werden für die pneumatische Förderung Rohrkrümmer mit vom Durchmesser unabhängigem Krümmungsradius verwendet mit Werten wie

42

R = 500 mm, 1000 mm, 1500 mm, 2000 mm. Diese haben sich grundsätzlich bewährt, da sie gewöhnlich auf größere Werte als R : d = 6 führen. Die Standzeit eines von schleißendem Fördergut durchströmten Rohrkrümmers nimmt nach [2.26] mit den Verhältnis R : d zu. Außerdem ist der Druckverlust im Krümmer bei größerem Krümmungsradius bis zu gewissen Grenzen etwas geringer. Dennoch wurden aus Gründen des Verschleißes auch schon Rohrkniee mit sogenannten Pralltöpfen am Schnittpunkt der Achsen eingesetzt. Hier prallt im Topf Schüttgut auf Schüttgut, wodurch der Anlagenverschleiß verringert wird. In der Kunststoffindustrie, wo sich durch Abschmelzen der Granulatecken beim Gleiten an der Rohrwand sogenanntes «Engelhaar» bildet, sollen die besonders großen Rohrkrümmer etwas ungünstiger sein. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß alle diese Ausführungen nur für die Flugund Strähnenförderung gelten. Bei Pfropfenförderung sind die Rohrkrümmer unproblematisch. Neben Krümmern mit 90°-Umlenkung werden dort auch solche mit 180°Umlenkung eingesetzt. Auf Messen wurde sogar gezeigt, daß man mit Pfropfenförderung durch eine als Brezel verlegte Leitung fördern kann. 2.3.3.4

Druckverlust im Rohrkrümmer

Durch die Reibung des Förderguts an der Rohrwand wird nach Abschnitt 2.3.3.1 das Fördergut abgebremst. In der geraden Rohrstrecke im Anschluß an den Rohrkrümmer muß das Fördergut wieder auf die Gutgeschwindigkeit c der Beharrungsstrecke beschleunigt werden. Dieser Beschleunigungsvorgang vollzieht sich ähnlich wie bei der Guteinschleusung, wenn man z. B. in Bild 2.20 nicht mit der Anfangsgeschwindigkeit 0, sondern mit einer gewissen Geschwindigkeit c beginnt. Deswegen wird der zusätzliche Druckverlust bei Gutförderung durch einen Rohrkrümmer auf den zusätzlichen Druckverlust ähnlich Bild 2.21 bei der Gutbeschleunigung bezogen [2.28, 2.29, 2.30]. Je nach Ausführung und Lage des Rohrkrümmers beträgt der zusätzliche Druckverlust des Rohrkrümmers 30% bis 50% des Druckverlustes bei der Beschleunigung des Förderguts [2.31J. Das Verhältnis des Krümmerverlustes zum Beschleunigungsverlust wird vor allem durch das Fördergut, den Krümmungsradius und die Luftgeschwindigkeit bestimmt. Es gehorcht damit anderen Gesetzen als der Widerstandsbeiwert L bei reiner Luftströmung. 2.3.4

Druckverlauf längs der Förderleitung

In den Abschnitten 2.3.1 bis 2.3.3 wurde die Bewegung des Förderguts durch die Förderanlage beschrieben. Eine Bewegung ist nur möglich, wenn eine Leistung — hier die Gebläseleistung — zur Überwindung der Reibungsverluste aufgebracht wird. Diese Leistung nach Gl. 2.10 stellt bei konstantem Luftvolumenstrom eine Druckerhöhung zur

43

©

1

Bild 2.29 Druckverlauf längs der Förderleitung

2 Reinluftwiderstand

V

I Beschleunigungswiderstand Druckverlust Inder Waagerechten l Druckverlust im Rohrkrümmer waagerecht/lotrecht Druckverlust in der Lotrechten l Druckverlust im Rohrkrümmer lotrecht/waagerecht Druckverlust in der Waagerechten Druckverlust im Abscheider

0© Verfügung, mit der die Widerstände in den einzelnen Anlagenteilen überwunden werden können. Bild 2.29 zeigt die einzelnen Druckverluste, deren Sunirnierung in der richtigen Reihenfolge den Druckverlauf längs der Förderleitung ergibt. Der Druck fallt immer an den Stellen der Förderleitung besonders stark ab, wo Einzelwiderstände auftreten und das Fördergut danach beschleunigt werden muß, z.B. bei der Guteinschleusung und im Rohrkrümmer. Eine genaue Berechnung der einzelnen Druckverluste, was die Aufgabe ]eder Auslegung einer pneumatischen Förderanlage ist, erfolgt in Kapitel 4.

2.4

Saug- und Druckanlage

Je nachdem, ob das Gebläse vor oder nach der Förderlcitung und damit der Schüttgutströmung sitzt, unterscheidet man die pneumatische Saug- und die Druckfordcranlage (Bild 2.30). In beiden tritt während der Förderung längs der Förderleitung ein Druckverlust auf, so daß der Druck am Anfang höher als am Ende ist. In der Sauganlage wird bei Atmosphärendruck eingeschleust. Dadurch herrscht in der gesamten Förderleitung Unterdruck. Aus der Druckanlage wird bei Atmosphärendruck ausgeschleust, und der Druckverlust in Strömungsrichtung führt dazu, daß überall in der Förderlcitung ein Überdruck herrscht. Dieser ist am größten am Punkt der Einschleusung.

44

Filter

Bild 2.30 Die zwei Möglichkeiten der pneumatischen Förderanlage a) Saugförderanlage b) Druckförderanlage

0 bar 0,6

Rohrweiche

O-

0,65 bar \ /

Sauggebläse

Austragung

1 bar

Einschleusung

a)

1 bar Abscheidung i Einschleusung Rohrweiche

1,8 bar Gebläse b)

Der Druck auf der Erdoberfläche von etwa l bar ist bedingt durch die stehende Luftsäule der Atmosphäre. Wird diese Luftsäule abgesaugt, erhält man den auf der Welt minimal möglichen Druck von 0 bar. Folglich kann eine pneumatische Saugförderanlage theoretisch mit der maximalen Druckdifferenz Ap max = l bar — 0 bar = l bar betrieben werden. Aus Gründen der Unterdruckerzeugung und des Betriebs einer pneumatischen Saugförderanlage ist allerdings nur der Bereich zwischen p = l bar und 0,6 bar (minimal 0,5 bar) für den Betrieb einer pneumatischen Saugförderanlage wirtschaftlich. Dieser Druckdifferenz von Ap = 0,4 bar bei pneumatischen Saugförderanlagen steht eine theoretisch unbegrenzte Druckdifferenz zum Betrieb einer pneumatischen Druckförderanlage gegenüber. Praktisch bestimmt der gewählte Verdichter die Auslegung der Druckförderanlage (s. Kapitel 6). Es ist sinnvoll, die Förderung nach dem erzeugten Druck des Verdichters einzuteilen: Förderung

Verdichter

Druckdifferenz

Niederdruck Mitteldruck Hochdruck

Ventilator Drehkolbengebläse Verdichter

0 bis 0,15 bar 0,15 bis 1 bar 1 bis 3 (6) bar

45

Diese Einteilung, die nicht zwingend ist, bezieht sich auf die im Handel ohne Sondermaßnahmen angebotenen Radialventilatoren. Sie weicht von der DIN-Norm 24 163 insofern ab, als dort folgende Druckdifferenzbereiche unterschieden werden: n Bei einer Druckerhöhung zwischen 0 und 0,3 bar nennt man den Drucklufterzeuger Gebläse. D Über einer Druckerhöhung von 0,3 bar spricht man von Verdichter. Da die Sauganlage bei Atmosphärendruck einschleust, ist die Einschleusung unproblematisch und auf ein reines Dosierproblem reduziert. Dagegen muß man am Ende der Sauganlage für eine kontinuierliche Austragung des Förderguts gegen eine Druckdifferenz sorgen. Die Druckanlage hat dieses Problem bei der Einschleusung. Das hat insbesondere bei hohem Druck zu vielen interessanten Schleusenentwicklungen geführt (s. Kapitel 7). Die Sauganlage ist besonders geeignet, um Schüttgüter wahlweise von mehreren Punkten zu einem zentralen Punkt zu fördern (z.B. in einer Schiffsentladeanlage oder in einer zentralen Staubsauganlage). Am Ende der Sauganlage stehen Filter und Gebläse. Dagegen löst die Druckanlage die Förderprobleme besser, wenn von einem Punkt zu wahlweise einem von mehreren Punkten gefördert werden muß (z.B. bei der Beschikkung einer Siloanlage). Für besondere Probleme, wenn wahlweise von mehreren zu mehreren Punkten zu fördern ist, setzt man eine pneumatische Saug-Druck-Förderanlage ein (Bild 2.31). Diese Bauart hat zwar viele Fördermöglichkeiten, sie benötigt allerdings einen größeren Rohrdurchmesser und mehr Energie bei gegebenem Gutmassenstrom infolge zahlreicher Rohrkrümmer und der zwei Gutbeschleunigungen; denn das Fördergut muß sowohl in der Sauganlage als auch in der Druckanlage auf die Fördergeschwindigkeit beschleunigt werden. Wegen der geringen zur Verfügung stehenden Druckdifferenz bei der Saugförderung haben pneumatische Saugförderanlagen bei gleichem Gutmassenstrom einen größeren Rohrdurchmesser als Druckförderanlagen. Sie benötigen zur Förderung eine größere Luftmenge und damit auch eine etwas höhere Antnebslcistung für das Gebläse. Der Vorteil der einfacheren Einschleusung in eine Saugförderanlage hat dazu geführt, daß ungeachtet des größeren Energiebedarfs die größten pneumatischen Förderanlagen als Saugförderanlagen gebaut wurden. Das sind Schiffsentladeanlagen für bis zu 800 t/h Getreide. Um den Energieverbrauch möglichst klein zu halten, erfolgt hier nur die Aufnahme des rieselfähigen Schüttguts pneumatisch. Im Laufe der weiteren Förderung wird so früh wie möglich auf eine mechanische Stetigförderanlage oder auf eine pneumatische Hochdruck-Förderanlage übergeben (s. Abschnitt 10.3). Eine Gegenüberstellung der Saug- und der Druckanlage zeigt Tabelle 2.1. Wenn bei dieser zweifellos subjektiven Bewertung die Druckanlage besser abschneidet, dann äußert sieb das durch die Tatsache, daß heute wohl etwas mehr Druckförderanlagen als Saugförderanlagen betrieben werden. Dennoch werden auch weiterbin pneumatische Saugförderanlagen gebaut, da diese Anlage, insbesondere bei der Guteinschleusung, einige wesentliche Vorteile hat. Deswegen soll in Kapitel 4 der Berechnung der Saugförderanlage dieselbe Sorgfalt wie der Druckförderanlage gewidmet werden.

46

Bild 2.31 Pneumatische Saug-Druck-Förderanlage

Tabelle 2. l

Vergleich der pneumatischen Saug- mit der Druckförderung

Kriterium

Saugförderanlage

— Einschleusung — Ausschleusung — max. Förderdruckdifferenz — Gebläsegröße — max. Förderweg — Rohrdurchmesser — erreichter Gutmassenstrom — Förderwege — Aufwand für Entstaubung — Staubentwicklung — Eignung für Pfropfenförderung - Verstopfungsgefahr — Aufwand für Verstopfungsbeseitigung — Anlagekosten — Betriebskosten

bei Atmosphärendruck aus Unterdruck 0,4 (0,5) bar

Vorteile: Nachteile:

groß geringer größer 800 t/h von mehreren Punkten groß keine gering größer geringer

Druckförderanlage +

+

++

+

größer größer

gegen Überdruck bei" Atmosphärendruck 6 (25) bar

+ +

geringer größer geringer 400 t/h

+ + +

zu mehreren Punkten geringer vorhanden groß

+ + +

geringer größer

+

geringer geringer

+ +

5+

10 +

10-

5-

47

2.5

Betriebspunkt einer pneumatischen Förderanlage

2.5.1

Betriebspunkt bei Flugförderung

Wie beim Betneb einer Anlage mit einphasiger Strömung so erhält man auch bei einer pneumatischen Förderanlage den Betriebspunkt als Schnittpunkt der Gebläsekennlinie mit der Anlagenkennlinie. Dabei ist die Anlagenkennlinie das Zustandsdiagramm (s. Abschnitt 2.2). Darauf wies erstmals H. ÖTTINGER hin [2.32]. In Bild 2.32 ist der Bereich der Flugförderung aus dem Zustandsdiagramm nach Bild 2.13 entnommen. Dazu wurden die Kennlinien Ap ( V ) oder A/7 (o) eines Drehkolbengebläses und eines Ventilators - hier als mehrstufiger Ventilator - eingetragen. Wird in die dem Bild 2.32 zugrunde liegende Förderanlage ein Gutmassenstrom von 6 t/h eingeschleust, dann ergibt sich beim Betrieb mit Drehkolbengebläse und Ventilator der Betriebspunkt A:

u = 24 m/s, A/7 = 0,45 bar, Qs = 6 t/h. Würde man den Gutmassenstrom auf Qs = 7 t/h erhöhen, dann würde beim Betrieb mit Drehkolbengebläse der Druckverlustauf 0,5 bar ansteigen, und die Luftgeschwindigkeit bliebe annähernd gleich. Liefert ein Mehrstufcnventilatorr die Druckluft, dann erhält man bei Q\ ~ 7 t/h keinen reellen Schnittpunkt mehr. Die Förderanlage würde verstopfen. Bild 2.32 Betriebspunkt einer pneumatischen Förderanlage A reeller Betriebspunkt

B nicht reeller Betriebspunkt

20

Luftgeschwindigkeit

48

25

Der Schnittpunkt B zwischen Anlagen- und Ventilatorkennlinie ist zwar reell aber für den Betrieb nicht möglich. Eine geringe Störung in der Anlage, die immer mit einer Abnahme der Luftgeschwindigkeit verbunden ist, würde den Betriebspunkt B auf der Kurve Q = 6 t/h nach links wandern lassen. Der Mehrstufenventilator wäre mit seiner flachen Kennlinie nicht mehr in der Lage, den zur Förderung nötigen erhöhten Druck zu erzeugen. Daraus geht hervor, daß der Betrieb um so sicherer ist, je steiler die Gebläsekennlinie verläuft. Dennoch kann auch ein Ventilator im Bereich der Flugförderung einen gesicherten Betrieb ermöglichen. Das besonders dann, wenn seine Kennlinie im Betriebspunkt steil verläuft. Dabei ist zu beachten, daß die Anlagenkennlinie durch Betätigen der Drosselklappe steiler wird. Das führt nach Bild 6.11 zu einem besseren Schnittpunkt von Gebläse- und Anlagenkennlinie. Bei der Beurteilung der Stopfgrenze einer pneumatischen Förderanlage (s. Abschnitt 2.2.4) ist also nicht nur das Zustandsdiagramm, sondern auch die Gebläsekennlinie zu berücksichtigen. Das mindert zweifellos die Brauchbarkeit des Begriffes «Stopfgrenze». Arbeitet eine pneumatische Förderanlage mit Drehkolbengebläse im Saugbetrieb, dann ist nicht nur der am Saugstutzen des Gebläses gemessene Luftvolumenstrom V geringer. V muß auch noch isotherm auf den Zustand an der Saugdüse umgerechnet werden. Nur dann ist die für die pneumatische Förderung erforderliche Luftgeschwindigkeit am Punkt der Einschleusung in die Saugförderanlage vorhanden. Das würde z. B. bei Ap = 0,5 bar zum halben Luftvolumenstrom führen. Der Anlagenbauer weiß das und verdoppelt den Luftvolumenstrom am Saugstutzen des Gebläses. Was aber weniger berücksichtigt wird, ist die Tatsache, daß die im Druckbetrieb steile Kennlinie des Drehkolbengebläses im Saugbetrieb infolge der Druckabhängigkeit flacher wird, wenn man den Luftvolumenstrom auf den Atmosphärenzustand bezieht. Weiterhin verändert eine erhöhte Ansaugtemperatur die Gebläsekennlinie. Das ist besonders beim Ventilator der Fall, dessen Druckerhöhung von der Luftdichte abhängt, die mit steigender Temperatur abnimmt. Schließlich muß die Schieusenleckluft sowohl absolut als auch in bezug auf die Änderung der Gebläsekennlinie berücksichtigt werden. Damit lassen sich folgende Kriterien für das Zusammenspiel der Gebläsekennlinie mit der Anlagenkennlinie einer pneumatischen Förderanlage zusammenfassen: a) Es ist ein reeller Schnittpunkt von Gebläsekennlinie und Anlagenkennlinie erforderlich. b) Die Gebläsekennlinie muß im Schnittpunkt steiler als die Anlagenkennlinie sein. c) Auch bei Schwankungen des Gutmassenstroms muß der Schnittpunkt noch reell sein. d) Bei Sauganlagen mit Drehkolbengebläse ist der erforderliche Luftvolumenstrom auf den Atmosphärenzustand umzurechnen und die flachere Gebläsekennlinie im Saugbetrieb zu berücksichtigen. e) Die Auswirkungen größerer Lufttemperaturen auf die Druckerhöhung sind bei Ventilatorbetrieb absolut und bezüglich der Steilheit der Gebläsekennlinie zu beachten.

49

f) Undichtigkeiten im System (z.B. Schleusenleckluft) verändern den Luftvolumenstrom absolut. Außerdem verringern sie die Steilheit der Gebläsekennlinie, da die Leckluftmenge druckabhängig ist. Es ist durchaus möglich, daß sich die Schwierigkeiten mancher ausgeführten Anlage mit den Kriterien a) bis f) erklären lassen. Auch der Verfasser hat bereits vor Ort eine Ventilatorsauganlage in eine Druckanlage umgebaut. Als so gut wie alle negativen Kriterien a) bis f) beseitigt waren, erreichte die Anlage den garantierten Gutmassenstrom von 10 t/h PE-Pulver.

2.5.2

Betriebspunkt bei Pfropfenförderung

Die im vorangehenden Abschnitt genannten Betriebskriterien sind allgemeingültig und gelten deswegen auch für die Pfropfenförderung. Allerdings sind im Bereich der Pfropfenförderung die Anlagenkennlinien steiler als bei Flugförderung. Die Drücke sind etwa um den Faktor 3 höher und die Luftmengen um den Faktor 3 geringer. Um so wichtiger ist unter diesen Bedingungen die steile Gebläsekennlinie. Das ist neuerdings durch den zunehmenden Einsatz von Lavaldüsen zur Luftmengenregelung mit absolut senkrechter Gebläsekennlinie möglich (s. Abschnitt 6.6.4). Die Annahme, daß die 15 bis 20 Jahre alte Pfropfenförderung erst mit dem Wissen von Abschnitt 2.5.1 zuverlässig ausgelegt werden kann, ist plausibel. Besonders ungünstig wirkt sich bei den Betriebsbedingungen der Pfropfenförderung die Schleusenleckluft aus. Sie ist wegen des hohen Druckes der Pfropfenförderung grö-

Bild 2.33 Betriebspunkte bei Pfropfenförderiing nach [2.21] bei Luftmengenregelung mit Lavaldüse, sowie I herkömmliche Zellcnradschleuse mit hoher Leckluftrate II Dichtschleuse mit niedriger Leckluftrate A, B, C stabile Bctrichspunktc D instabiler Betriebspunkt

Luftgeschwindigkeit v

50

ßer und drückt die Steilheit der Gebläsekennlinie um so mehr, weil die zur Förderung nötige Luftmenge gering ist. Deswegen wurden Hochdruck-Zellenradschleusen bis 3 bar Druckdifferenz bei gleichzeitiger Verminderung der Schleusenleckluft entwickelt [2.33]. Diese werden in Abschnitt 7.5.3.4 behandelt. R. ERNST [2.21] hat die Anlagenkennhnie mit Qs = konst. und die Kennlinien der Luftversorgung einer Pfropfenförderanlage mit Lavaldüse und zwei verschiedenen Zellenradschleusen gemessen. Aus Bild 2.33 geht hervor, daß die herkömmliche Zellenradschleuse mit größerer Schleusenleckluft in der betriebenen pneumatischen Druckförderanlage nur den Betriebspunkt A hat. Dagegen kann die Anlage mit der geringeren Schleusenleckluft, bedingt durch die Dichtschleuse, auch noch in den Betriebspunkten B und C betrieben werden.

51

Fördergut und Fördermittel

Die die pneumatische Förderung bestimmenden Einflußgrößen werden durch folgende drei Komponenten eingebracht: D die Förderanlage, D das Fördergut, D das Fördermittel. Die Gestaltung der Förderanlage und deren Einflußgrößen werden in den Kapiteln 5 bis 10 behandelt. Viele Einflüsse hat das Fördergut auf die Förderung.

3.1

Fördergut als Schüttgut

In der Fördertechnik wird unterschieden zwischen Stückgut und Schüttgut. Sieht man davon ab, daß auch grobstückige Fördergüter (z.B. Kunststoffgehäuse) mit Luft durch Rohrleitungen geblasen werden, dann versteht man unter pneumatischer Stückgutförderung die sogenannte Rohrpost. Mit Rohrpost werden Schriftstücke, Bücher, Akten und anderes pneumatisch gefördert. Dabei nimmt eine sich im Rohr bewegende Büchse die Schriftstücke auf. Die Büchse füllt annähernd den ganzen Rohrquerschnitt aus. Bläst man Luft durch das Rohr, dann ist die Geschwindigkeit der Büchse beinahe gleich der des Luftstromes. Diese Bewegung kann mit den Grundlagen der einphasigen Rohrströmung ohne große Probleme beschrieben werden [3.1]. Wie in Kapitel 2 erläutert wurde, ist die pneumatische Schüttgutförderung ungleich schwerer zu beschreiben. Das beruht auf den zahlreichen unterschiedlichen Eigenschaften des Schüttguts und auf seinem Verhalten im Luftstrom. 3.1.1

Schüttgutverarbeitende Industrie

In einer umfangreichen Studie untersuchten K. WEHKINC; und R. HOLZHAUER [3.2] die Arbeitsfelder der Schüttguttechnik. Die in Bild 3.1 aufgeführten vier Gebiete, auf denen Praxis und Wissenschaft arbeiten, beschäftigen sich zu einem gewissen Teil alle mit pneumatischer Förderung. Aus Bild 3.2 sind die Schüttgutmengen zu entnehmen, die in den einzelnen Industriezweigen nach [3.2 mechanisch und pneumatisch gefördert werden. Dabei wurden vom Verfasser die Industriezweige rot gezeichnet, die neben mechanischer Förderung auch pneumatische Förderung einsetzen. Setzt man hier die pneumatische Förderung zur Hälfte an, was gemessen an den anderen Unsicherheiten vertretbar

53

Bild 3.1 Vier Arbeitsfelder der Schüttguttechnik nach [3.2]

1 Industriezweig mit wesentlicher pneumatischer Förderung

Mio. t

1

MOn 2

3

4

ml ' : " nnn - „

5

6

7

9 10 11 12 13 14 15

Bild 3.2 Mechanisch und pneumatisch geförderte Schüttgutmengen in der Bundesrepublik Deutschland im Jahre 1985. Quelle: Statistisches Bundesamt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Sand, Steine, Erde, Mineralien Steinkohle Eisener/e Chemische Grundstoffe Futtermittel, Pflanzenerzeugnisse Nahrungs- und Genußmittel Düngemittel Getreide Zement, Kalk, Cups Schlacken, Asche NE-Erze Braunkohle Kali und Salz Holz NE-Abfälle

erscheint, dann wären im Jahr 1985 in der Bundesrepublik Deutschland etwa 75 Mio. t Schüttgut pneumatisch gefördert worden. Das entspricht einem Anteil von etwa 15% an der gesamten umgeschlagenen Schüttgutmenge von etwa 500 Mio. t. 3.1.2

Schüttgüter der pneumatischen Fördertechnik

In den meisten Industriezweigen trifft man auf pneumatische Förderanlagen. In der VDI-Richtlinie 2329 [3.3| wurden die wesentlichen Fördergüter den Industriezweigen zugeordnet (Tabelle 3.1). Die Liste der aufgeführten Fördergüter zeigt zwar, wo die Fördergüter auftreten. Sie ist aber zwangsläufig unvollständig, da längst nicht alle Stoffe aufgeführt sind. Außerdem ändern die Schüttgüter ihr Förderverhalten mit vielen der in

54

Abschnitt 3.2.2 angegebenen Eigenschaften, wie z. B. dem Korndurchmesser, der Kornform, der Korngrößenverteilung, der Gutfeuchte, der Guttemperatur u. a. So ist eigentlich die Anzahl der Fördergüter fast unbegrenzt. Vom Verhalten her lassen sich bestimmt 10 000 verschiedene Fördergüter angeben. Die Hersteller von pneumatischen Förderanlagen führen in ihren Schüttgutlabors mehrere tausend Fördergutproben zur Schüttgutuntersuchung und als Beleg für ausgeführte Förderanlagen.

3.2

Schüttguteigenschaften

Mit der Einführung der Pool-Palette bis 1000 kg Traglast ist es bei der mechanischen Stückgutförderung gelungen, alle Guteigenschaften auf eine, nämlich die Palettenabmessung, zurückzuführen. Das ist bei der Schüttgutförderung anders. 3.2.1

Allgemeine Schüttguteigenschaften

Nach Tabelle 3.2 gibt es eine Vielzahl von Schüttguteigenschaften. Die hier aufgeführten und nach Kriterien geordneten Guteigenschaften sind zwangsläufig nicht vollständig, und einige Eigenschaften sind so geartet, daß sie je nach Herstellung variieren oder sich unter Einfluß der Atmosphäre und der Zeit ändern. Das mag der Grund dafür sein, daß es bis heute nicht gelungen ist, eine jederzeit abrufbare Datenbank für Schüttgüter zu erstellen [3.2]. Ein Vorschlag für eine Klassifizierung der Schüttguteigenschaften ist in FEM 2581 enthalten [3.4]. Außerdem gibt es zweifellos viel nicht veröffentlichtes Spezialwissen der Hersteller und Betreiber von schüttguttechnischen Anlagen.

Tabelle 3.1

Die Fördergüter in den einzelnen Industriezweigen nach [3.3]

Industriezweig

Fördergüter

Aluminiumindustrie Brauereien Chemische Industrie Futtermittel Getreide Holzindustrie Papierindustrie Kunststof (Industrie Mineralindustrie Mühlenindustrie Nahrungsmittelindustrie Ölindustrie Zemcntindustrie

Tonerde, Aluminiumhydroxid Gerste, Malz, Grünmalz, Malzkcime Nitrate, Phosphate, Ruß Schrote, Fischmehl, Expeller Weizen, Gerste, Mais, Reis Sägespäne, Sägemehl, Hackschnitzel Zellstoff, Kaolin Granulate, Pulver, Zuschlagstoffe Oxide, Salze, Kohlenstaub Mehle, Grieße, Nachprodukte Milchpulver, Kaffee, Kakao Zucker, Stärke Sojabohnen, Raps, Kopra Zement, Rohmehl

55

3.2.2

Wesentliche Schüttguteigenschaften für die pneumatische Förderung

Aus Tabelle 3.2 wurden einige für die Förderung wesentlichen Guteigenschaften entnommen und in Tabelle 3.3 mit Bemerkungen zur pneumatischen Förderung versehen. Diese Bemerkungen beruhen auf vielen Erfahrungen und sind selbstverständlich subjektiv. Man sollte sie nicht losgelöst voneinander betrachten. Es empfiehlt sich, von einem Förderverfahren abzusehen, wenn sich mehrere Nachteile häufen [3.5].

Tabelle 3.2

Die Fördergüter in den einzelnen Industriezweigen nach [3.3]

Kriterium

Fliels'verhaltcn

Dynamik Strömung

Eigenschaft Schüttdichte Raumdichte Höh Iran man teil Verdichtung Ko rn d u rch messe r Korn form Korngrößenverteilung Innere Reihung Kohäsion Wandreibung Adhäsion Schüttwinkel Kornharte Bruchkornbildung Verschleiß Elastizitätsmodul Stoßfaktor Sinkgeschwindigkeit Widerstandsbeiwert cw Druckverlustbeiwert xs Luftgeschwindigkeit bei Flugforderung Gutmassenstrom

Fluidisierbarkeit Temperatur

Lufthaltevermögen Guttemperatur Brennbarkeit Explosionsdruck

Explosionsdruckanstieg Feuchtigkeit

Umwelt

56

Gutfeuchtigkeit hygroskopische Eigenschaft Klebrigkeit Sorptionsisotherme Geruchsbelästigung Verderblichkeit Staubentwicklung Giftigkeit

Tabelle 3.3

Folgerungen aus Tabelle 3.2 für die pneumatische Förderung

Eigenschaften des Förderguts

Bemerkung zur pneumatischen Förderung

Schüttdichte Raurndichte Höh l räum an teil

— bestimmt Bauart und Größe der Schleusen. — Der Druckverlust nimmt mit steigender Raumdichte zu. — Bei zu geringem Hohlraumanteil ist keine Pfropfenförclerung möglich. — Bei körnigem Fördergut ( l rnm) nimmt der Druckverlust mit dem Korndurchmesser etwas ab [3.8J. — Sehr feine Fördergüter backen manchmal im glatten Rohr an. — Güter mit Kugel- oder Zylinderform lassen sich in allen Förderzuständen gut fördern. — Faserige und plättchenförmige Kornform ist für Pfropfenförderung nicht geeignet. — Weites Kornspektrum ist für Pfropfenförderung nicht geeignet. — Zunehmende Wandreibung erschwert die Pfropfenförderung und bringt größeren Druckverlust bei Flugförderung Kohäsive und adhäsivc Fördergüter lassen sich oft nur mit speziellen Verfahren fördern. — Bei größerer Kornhärte (ab Mohs-Härte 3 bis 4) kein Einsatz von Zellenradschleusen. — wird weitgehend bei Pfropfenförderung vermieden. — Bei körnigem Fördergut kein wesentlicher Einfluß auf die Förderung. - siehe Kapitel 4. — Beide ermöglichen die schonende, wirtschaftliche Fließfördernng. — Staubförmige, explosible Fördergüter werden oft unter Schutzgas gefördert.

Korndurchmesser

Korn form

Korngrößenverteilung Wandreibung Kohäsion, Adhäsion Korn h arte Bruch kornbildung Sinkgeschwindigkeit Druckverlustbeiwert Fluidisierbarkeit, Lufthaltevermögen Brennbarkeit

Nach Tabelle 3.3 nehmen die Probleme bei kleinen Luftgeschwindigkeiten im Bereich der sogenannten Langsamförderung zu. Deswegen sind die Anlagenbauer längst dazu übergegangen, vor der Auslegung einer pneumatischen Langsamförderanlage für ein neues Fördergut Förderversuche an einer Laboranlage durchzuführen. Das erhöht nicht nur die Sicherheit der eigenen Auslegung, sondern ist auch demonstrativ für den späteren Betreiber der Anlage und verkaufsfördernd für den Hersteller.

57

3.3

Messung, Registrierung und Beispiele von Schüttguteigenschaften

Für die Messung der Schüttguteigenschaften wurden zahlreiche Meisgeräte entwickelt, die in einem Schüttguttabor vorhanden sein sollten. Einige davon, die jedoch für die pneumatische Förderung noch nicht ausreichen, enthält FEM 2481 [3.6]. Nachdem man früher die Guteigenschaften m Ordnern und Lochkarten registriert hat, ist der moderne Stand eine bis auf weiteres firmeneigene Schüttgut-Datenbank. Die Werte dieser Datenbank können innerhalb einer Firma für jeden Anlagenplaner abrufbar sein. Bei entsprechender Pflege der Datenbank kann er alle Daten auf dem neuesten Stand erhalten und bei seiner Planung und Auslegung berücksichtigen. Die Messungen der Schüttguteigenschaften nach Tabelle 3.2 werden hier vorgestellt. 3.3.1

Gewicht des Schüttguts

Die Schüttdichte ist nach VDI-Richtlinie 2031 [3.7] die Masse der Raumeinheit des locker in einen Behalter geschütteten Gutes. Als Behälter werwendet man gewöhnlich ein Meßglas mit 0,5 bis l d m ' Inhalt. Die Schüttdichteo s s ist dann gleich der Masse des Inhalts, dividiert durch sein Volumen. Durch Einrütteln des Schüttguts erhält man die Rütteldichte ^SR^ die je nach Schüttgut bis zu 30% größer als die Schüttdichte sein kann. Nach VDI-Richtlinie 2031 ist die Raumdichte die Masse der Raumeinheit eines Gutes, einschließlich der offenen und geschlossenen Poren. Demgegenüber berücksichtigt die Scheindichte nur die Masse der Raumeinheit einschließlich der geschlossenen Poren. Beide sind gleich, wenn das Schüttgut keine offenen Poren hat, was meistens vernachlässigt werden kann. In [3.7J werden Luft- und Flüssigkeitspyknometer beschrieben, mit denen die Raum- bzw. Scheindichte gemessen werden kann. Dabei wird die Verdrängung von Luft oder Flüssigkeit erfaßt. Der Hohlraumanteil i// ist eine Funktion der Schüttdichte und der Raumdichte

Er hängt von der Geometrie der Schüttung und von der Kornform ab. Horizontal und vertikal parallel geschichtete Kugelebenen haben nach Bild 3.3a einen Hohlraumanteil von i// = 47,7%, wenn eine Kugelebene parallel zur anderen liegt. Dieser geht bei dichtester Kugelpackung im Raum auf y/ — 35,8% zurück. Der Wert ist jedoch bei gleichem Kugeldurchmesser nicht realisierbar, da beim Haufwerk gewöhnlich manche Plätze nicht durch ein Korn belegt sind. Der Verfasser [3.8] hat an 11 kugeligen und zylindrischen Schüttgütern mit Korndurchmessern zwischen l und 8 mm Hohlraumanteile zwischen 40 und 48% gemessen. Beim feinen Korn der staubförmigen Schüttgüter liegt dieser Anteil bisweilen wesentlich höher. Gewöhnlich kann dicht eingelagertes Schüttgut vor allem durch Vibration, weniger durch Druck verdichtet werden. Das führt zur sogenannten Rütteldichte. Es wird |edoch

58

Bild 3.3 Der Hohlraumanteil bei Kugelschüttungen a) parallel geschichtete a) Kugelschüttung b) dichteste Kugelschüttung in der Ebene c) dichteste Kugelschüttung im Raum b)

1
bei der pneumatischen Förderung von Polystyrolgranulat in waagerechten Rohren nach Messungen von [4.16]

Bild 4.8 Be/.ogener Druckverlustbeiwert As • A/i/d in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit u bei der pneumatischen Förderung von Weizen in waagerechten Rohren nach Messungen von [4.16]

0,16,-

0,12

0,08

0,04

100 -400

200

10

20

Luftgeschwindigkeit v

«s,s

Bild 4.9 Luftzustand in der Förderleitung

OLI "1 4

P,

4.1.3.3

Grundgleichungen zum Zustand in der Förderleitung

Bei der pneumatischen Förderung gilt wie bei der reinen Luftströmung die Kontinuitätsgleichung, die nach Bild 4.9 aussagt, daß der Luftmassenstrom im Querschnitt l gleich dem im Querschnitt 2 ist:

Q... = Qu K

Jl

K

J2

01.1 ' - 4 7 - «I • »l = 01.2 ' 4 ' OJ ' "2 0L1 - d f - O j = 01.2 - ^ - U 2

(Gl.4.3)

Ist der Rohrdurchmesser konstant, d.h. d\ = d±, dann wird aus Gl. 4.3:

0i.i ' "i = 012 ' «2

(Cil. 4.4)

Nach Abschnitt 3.4.1 soll der Zustandsänderung in der Förderleitung die Isotherme zugrunde gelegt werden. Damit folgt aus Gl. 3.2: (Gl.4.5) 0L2

P2

Mit Gl. 4.4 erhält man daraus für die Luftgeschwindigkeiten bei konstantem Rohrdurchmesser: ^- = -£L "i Pi

(Gl. 4.6}

Das heißt, mit abnehmendem Druck, was längs allen Förderleitungen der Fall ist, nimmt die Luftgeschwindigkeit proportional zum Verhältnis der absoluten Drücke zu. Diese Geschwindigkeitszunahme ist allerdings unerwünscht, da sie den Energieverbrauch, den Fördergutverschleiß und den Anlagenverschleiß erhöht. Deswegen erweitert man den Rohrdurchmesser an gewissen Stellen längs der Förderleitung. So läßt sich die Geschwindigkeitserhöhung in gewissem Maße verringern. Ist für die Flugförderung bei Atmosphärenzustand eine Mindestluftgeschwindigkeit erforderlich, dann kann dieselbe bei höherem Druck etwas geringer sein, da die Luft bei der dadurch bedingten höheren Dichte «besser trägt». So ist auch die Schwebegeschwindigkeit bei größerer Luftdichte geringer. Es hat sich bewährt, bei anderer als der Normdichte der Luft einen minimal erforderlichen dynamischen Druck nach Gl. 2.1 der pneumatischen Förderung zugrunde zu legen. Herrscht beispielsweise in einer Förderan-

89

läge der Absolutdruck 4 bar, dann kann mit den Gl. 4.5 und 2.1 die Luftgeschwindigkeit auf die Hälfte gegenüber dem Atmosphärendruck von l bar abgesenkt werden. Bei gleichem dynamischen Druck wird dann das Korn im Luftstom mit der gleichen Kraft angeströmt. Wird der Rohrdurchmesser nach Bild 4.9 von d\ auf d± erweitert, dann gilt mit der Forderung des minimalen oder gleichen dynamischen Drucks:

L-.oj

(Gl.4.7)

Aus den Gl. 4.3, 4.5 und 4.7 erhält man dann die Doppelgleichung für die Festlegung der Zustande in der Förderleitung: P' Pi

=

I^-Y = i^-Y \»i l Ui /

(Gl.4.8)

Gl. 4.8 nimmt grundlegend auf die pneumatische Förderung Einfluß. Aus Gl. 4.8 folgen zwei Maßnahmen: a) Wenn p± der Druck am Fnde einer pneumatischen Förderanlage ist (z.B. der Atmosphärendruck in der Druckanlage), dann kann die Luftgeschwindigkeit beim höheren Druck p] am Anfang um einen Faktor gleich der Wurzel aus dem Druckverhältnis p2/p\ vermindert werden. b) Bei der Abstufung des Rohrdurchmessers von d\ auf di müssen sich die Drücke/?, zu pi wie die Rohrdurchmesser d± zu d-\ hoch 4 verhalten. Gl. 4.8 ist eigentlich eine Ungleichung, die aus dem minimal erforderlichen dynamischen Druck folgt. Die Förderung bleibt selbstverständlich aufrecht erhalten, wenn der dynamische Druck größer als der minimal erforderliche ist. Bei konstantem Rohrdurchmesser herrscht stets am Beginn der Förderung der kleinste dynamische Druck. Dieser n i m m t mit dem Anstieg der Luftgeschwindigkeit längs der Förderleitung zu, denn die zunehmende Luftgeschwindigkeit geht nach Gl. 2.1 in den dynamischen Druck quadratisch und die abnehmende Luftdichte nur linear ein. Das ist auch der Grund, warum die Verstopfung der nicht abgestuften Förderleitung gewöhnlich am Punkt der Finschleusung beginnt.

4.2 4.2.1

Berechnung von pneumatischen Förderanlagen ohne Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft Allgemeines

In Abschnitt 4.1.3.3 wurde darauf hingewiesen, daß die Luftgeschwindigkeit längs der Förderleitung proportional zum absoluten Druck in der Förderleitung steigt. Umgekehrt proportional ändert sich die Luftdichte. Damit nimmt nach Gl. 4.2 der auf die Rohrlänge bezogene Druckverlust längs des Förderwegs zu. In den Näherungsgleichungen nach Tabelle 4.2 wird diese Zustandsänderung meistens nicht berücksichtigt, indem der Druckverlust so ermittelt wird, als wäre die Luft inkompressibel. Manche Anlagenbauer berechnen eine pneumatische Förderanlage abschnittsweise inkompressibel, indem sie die Fördcrleitung in Abschnitte aufteilen, in denen die Druckänderung nur gering ist. Das ist beim Einsatz eines Rechners möglich, erschwert jedoch den Überblick des Sachbearbeiters, der nach Abschnitt 4.1.1 einen guten Überblick benötigt, um die richtige Entscheidung zu treffen. In Hinblick auf die durch das Fördergut bedingten Rechenunsicherheiten kann man bei einer Druckerhöhung bis zu etwa 10% (oder maximal 15%) die Kompressibilität der Luft bei der Berechnung des Druckverlustes vernachlässigen. Das sind bei Atmosphärendruck 100 mbar. Diese Grenze umfaßt den Druckbereich der relativ einfachen pneumatischen Förderanlagen mit Druckluftversorgung durch einen einstufigen Radialventilator. Rechnet man mit Mittelwerten für die Luftgeschwindigkeit, dann läßt sich auch noch eine pneumatische Förderung im unteren Druckbereich der Drehkolbengebläse (bis etwa Ap = 500 mbar) bei Vernachlässigung der Kompressibilität der Luft berechnen. Pneumatische Förderanlagen im oberen Druckbereich der Drehkolbengebläse oder solche mit Verdichtern (einstufig bis 3 bar Druckdifferenz) sollten jedoch mit Berücksichtigung der Kompressibilität der Förderluft ausgelegt werden. 4.2.2

Luftgeschwindigkeit

Die wirtschaftliche Luftgeschwindigkeit, bezogen auf Atmosphärendruck, liegt bei Flugförderung in der Nähe des Druckverlustminimums (s. Zustandsdiagramm, Bild 2.13). Nach Abschnitt 2.5.1 ist ein sicherer Betriebspunkt für eine pneumatische Förderanlage jedoch auch abhängig von der Druckluftversorgung. So konnte beispielsweise durch den Einsatz einer Lavaidüse mit absolut senkrechter Kennlinie (s. Abschnitt 6.6.4) die minimale Luftgeschwindigkeit um 40% gegenüber dem Gebläsebetrieb vermindert werden. Dennoch ist es hilfreich, für übliche Flugförderungen mit Gebläse eine Luftgeschwindigkeit als Empfehlung anzugeben. Diese kann selbstverständlich unter Berücksichtigung ähnlicher Gegebenheiten für andere Fördergüter interpoliert werden. Die vom Verfasser in den vergangenen 20 Jahren zusammengetragenen Werte für über 50 Fördergüter in Tabelle 4.3 wurden alle an ausgeführten pneumatischen Flugförderanlagen gemessen.

91

Tabelle 4.3 Die wesentlichen Schüttgutdaten für pneumatische Flugförderung, /.usammcngestellt vom Verfasser Fördergut

Ackcrhohnen Aktivkohle Bentonit Bitterlupinen Gerste Glaskugeln Glimmer, gebrannt Glimmer, roh Grünmalz Hafer Hol/lamellen Holzspane Holzwolle Hornschotenklee Kartoffclflocki-n Kraftfutter Mais, feucht Mais, trocken Maisgriel^ Maismehl Makroion granulär Malz Malzschrot Methylzeliulose Natriumbikarbonat Papphülsen Phenolharz Polyethylengranulat Polyethylenpulver Polyesterehips Polypropylengranulat Polypropylenpulver Polystyrolgranulat PVCNPulver Reis Reishülsen Roggen Sagemehl Seifennudeln Sojabohnen Sommerraps Stahlkugeln Steinsalz Stvroporkugeln Trockentreber

92

yss

l/s

A • A/, d

mm

kg/m '

kg/m'

m/s

1

8,1 i 0,04 6,1 4,0 1,14 2 0,93 4,5

1390 1860 2680 1340 1420 2990 2520 2550 1320 1340 720 470 470 1420 1200 1370 1250 1300 1440 1400 1230 1370 1480 1230 2700 970 1380 1070 1070 1400 1000 1000 1070 1320 1620 1280 1180 470

830 340 720 830 690 1780 100 830 400

23-27 20-23 25-27 23-27 20-25 22-27 18-22 25-30 23-27 22-25 23-27 22-25 20-25 22-25 20-23 22-25 22-27 22-25 23-25 23-25 22-25 20-22 22-25 22-25 22-25 18-20 20-25 20-25 20-25 23-27 20-25 20-25 20-25 20-25 20-25 18-20 22-25 20-25 23-27 22-25 20-25 25-35 22-27 10-20 20-22

0,04 0,06 0,1 0,04 0,04 0,06 0,03 0,09 0,06 0,04 0,08 0,04 0,04 0,04 0,04 0,06 0,06 0,04 0,06 0,1 0,04 0,04 0,06 0,06 0,1 0,04 0,06 0,04 0,1 0,06 0,04 0,1 0,04 0,1 0,06 0,04 0,04 0,04 0,08 0,04 0,04 0,12 0,08 0,04 0,04

3,4 100x50x4 50 x 20 x 1 200 x 3 x 3 1,1 lOx lOx 1 0,86 8,7 7,7 0,75 0,19 3,2 V 0,7 0,35 0,063 100x20 0,65 3,5 0,25 6x4x2 3,5 0,22 2," 0,2 -i ~ 2,5 3,0 0,7 20 x 5 6,3 1,9 1,08 1,6 3,5 0,96

1100 1270 1140 7850 2190 84 680

510 500 150-400 20 830 300 540 680 680 650 460 670 540 400 370 1070 50 520 500 450 700 500 570 600 570 800 105 620 190 600 690 680 4420 1200 29 260

Fördergut

Weißsenf Weizen Weizenklcie Weizenmehl Weizennachmehl Winterwicken Zellulosepulver Zement Zementrohmehl Zichorie Zinkoxid Zucker

4

«s

oss

"o

mm

kg/m'

kg/m!

m/s

2,1 3,9

1190

1380

700 730 300 540 370 820 230 1420 960 300 2000 860

20-25 22-27 20-25 18-23 20-25

0,1

1470 1470 1470 1390 1380 3100 3100 1320 4850

0,52

1610

1,0 0,09 0,15 3,4 0,04 0,05 0,05 25

22-25 20-25 20-25 20-25 23-27 25-30 20-25

df,

Korndurchmesser

£js yss DO

Korndichte Schüttdichte erforderliche Luftgeschwindigkeit in der Förderleitung hei QIO = 1,2 kg/m' (die hohen Werte gelten für große, die niederen für kleine Rohrdurchmesser)

/LS

'

*

/s • A/i d 1 0,04 0,04 0,06 0,08 0,06 0,04 0,04 0,18 0,15 0,06 0,15 0,08

auf den Rohrdurchmesser bezogener Druckverlustbeiwert

Der angegebene Luftgeschwindigkeitsbereich bezieht sich auf den Durchmesser der Förderleitung. Dabei gilt die kleinere Luftgeschwindigkeit für kleine Rohrdurchmesser, z.B. d = 50 mm, und die größere Luftgeschwindigkeit für große Rohrdurchmesser, z. B. d = 400 mm. Es sind jedoch nicht alle Rohrdurchmesser mit Meßergebnissen belegt. So sollte man beispielsweise nicht jedes schwere Pulver bei diesen Luftgeschwindigkeiten in Rohren bis zu 400 mm Rohrdurchmesser fördern. Die Luftgeschwindigkeiten in Tabelle 4.3 liegen ziemlich nahe beieinander. Keineswegs nimmt die erforderliche Luftgeschwindigkeit mit der Froudezahl zu, wo der vierfache Rohrdurchmesser bereits zur doppelten Luftgeschwindigkeit führen würde. Der Einfluß des Korndurchmessers und der Korndichte ist ebenfalls nur tendentiell feststellbar. 4.2.3

Druckvcrlust

Der Druckverlust A.p bei der pneumatischen Förderung setzt sich aus sechs Einzeldruckverlusten zusammen. Davon werden zwei durch die reine Luftströmung und vier durch das Fördergut verursacht.

93

4.2.3.1

Luftreibungsverlust

Dieser Druckverlust wird so definiert, daß er gleich ist wie der Druckverlust bei reiner Luftströmung. Sollte er sich bei der Gut-Luft-Strömung ändern, was übrigens schwer nachweisbar ist, dann soll diese Änderung im Gutreibungsverlust enthalten sein, da letzterer ein zusätzlicher Druckverlust ist. Es gilt Gl. 2.2: A/ d

Qi 2

(Gl. 4.9)

Wie in Abschnitt 2.1.2 erläutert wurde, kann für die meisten Förderungen mit hinreichender Genauigkeit /-i = 0,02 gesetzt werden. Ebenso gilt dann mit Berücksichtigung von Abschnitt 3.4.3 für die Luftdichte: 0io = 1,2 kg/m3 4.2.3.2

Lufteinzel widerstände

Die Lufteinzelwiderstände werden mit folgender Gleichung erfaßt:

Apw=Ef--^'»2

(GL4 10)

-

Hierbei sind ^ und u die örtliche Luftdichte und die örtliche Luftgeschwindigkeit. C ist der Widerstandsbeiwert für einen Einzelwiderstand. Als Einzelwiderstände können auftreten: a) b) c) d) e) f)

Querschnittsveränderungen, Rohrkrümmer, Düsen, Abscheider, Zyklone, Filter.

Es hat sich als sinnvoll erwiesen, den Druckverlust in der Förderleitung und den in der Luftleitung separat zu errechnen. Deswegen sollen die Widerstände c bis f nicht in diesem Kapitel behandelt werden. In einer ordentlich verlegten Förderleitung treten Querschnittsveränderungen nur in Form von Erweiterungen des Rohrdurchmessers längs der Förderleitung auf. Diese sind prozentual gering. So kann ein gewisser Druckrückgewinn in der Berechnung vernachlässigt werden. Schließlich haben die Rohrkrümmer einen großen Krümmungsradius (s. Abschnitt 2.3.3.3). Der Verfasser hat den zusätzlichen Druckverlust in der Luftströmung des Rohrkrümmers gegenüber dem gleich langen geraden Rohr gemessen 14.16]. Der Krümmer mit dem Krümmungsradius R = 300 mm und dein Rohrdurchmesser d = 50 mm hatte bei einer Luftgeschwindigkeit von v = 30 m/s nur einen zusätzlichen Druckverlust von 0,6 mbar.

94

Daraus ist zu schließen, daß in der ordentlich verlegten Förderleitung keine Lufteinzelwiderstände einzurechnen sind. Es ist sinnvoll, die Widerstände der Luftleitung von eventuellen Düsen, Abscheidern, Zyklonen und Filtern separat zu ermitteln und hei der Auswahl des Gebläses zum Druckverlust in der Förderleitung zu addieren. Hierbei kann auf die einschlägige Literatur zurückgegriffen werden. Schließlich sei auch die Druckdifferenz, die zum Einsaugen der Luft in die Förderanlage benötigt wird, vernachlässigt. Sie ist klein gegenüber dem Druckverlust in der Förderleitung. Deswegen wird an ausgeführten Anlagen auch keine Maßnahme getroffen, die kinetische Energie von Fördergut und Förderluft am Ende der Förderanlage zurückzugewinnen. 4.2.3.3

Gutreibungsverlust

Die Erfassung des Gutreibungsverlustes soll nach Abschnitt 4. 1 .3.2 unter Berücksichtigung von Abschnitt 4.1.3.1 erfolgen. Es gilt damit:

In Gl. 4. 1 1 ist /.s • A/i/rf ein für die Flugförderung konstanter Druckverlustbeiwert. /.s ist gleich dem Widerstandsbeiwert /.s nach W. BARTH (s. Gl. 4.2). Dieser ist auf den Rohrdurchmesser d bezogen und mit der Rohrlänge A/, = l m multipliziert. Dadurch ist der Beiwert dimensionslos. Für ein Rohr mit 100 mm Durchmesser ist /.s • A/i/rf lOmal so groß wie die Werte /.$ nach W. BARTH und anderen. Wird die Förderlänge A/ in m eingesetzt, dann beschreibt A//A/I die Anzahl der Meter Förderweg. Außerdem ist in Gl. 4.11 die Gutbeladung // und der dynamische Druck enthalten. Der Verfasser hat zahlreiche Messungen an pneumatischen Förderanlagen im Technikum und vor Ort durchgeführt und daraus die in Tabelle 4.3 aufgeführten Druckverlustbeiwerte /.$ • fd\ld zurückgerechnet. Die über 50 Fördergüter überstreichen die ganze Bandbreite von Korndurchmesser, Kornform, Schüttdichte und Raumdichte, so daß Beiwerte von hier nicht aufgeführten Fördergütern durch Interpolation ermittelt werden können. Bei stark adhäsiven und kohäsiven Schüttgütern (s. Abschnitt 3.2.2) kann allerdings dieser Reibungsbeiwert durch Anbacken unter Druck ansteigen. Für eine richtige Auslegung sind in diesem Fall Förderversuche im Technikum erforderlich. 4.2.3.4

Hubverlust

Der Hubverlust ist gleich dem auf den Rohrquerschnitt bezogenen Gewicht der im lotrechten Rohr stehenden oder sich bewegenden Schüttgutsäule:

A/; 1 1 = A/; • n • — • o, -g

c — • üV

95

Der Hubverlust ist nach Messungen von J. FI.ATOW |4.26j wesentlich größer als der Rcihungsverlust im lotrechten Rohr. Bei den meisten pneumatischen Förderanlagen ist die lotrechte Förderung bedeutend kürzer als die waagerechte. Setzt man zur Vereinfachung der Berechnung den Reibungsverlust im lotrechten Rohr gleich wie im waagerechten an, dann wird der errechnete Druckverlust etwas (aber unwesentlich) größer als der tatsächliche. Das Berechnungsverfahren gewinnt an Übersichtlichkeit, indem man für A/den gesamten (d.h. waagrechten und lotrechten) Förderweg einsetzt. Der Hubverlust bezieht sich dann nur auf die Überwindung der geodätischen Höhe A/7, nicht auf die Reibung im lotrechten Rohr. Gl. 4.12 enthält das Geschwindigkeitsverhältnis cl» der Gut- zur Luftgeschwindigkeit. In den Bildern 2.22, 2.23 und 2.24 wurde du über der Luftgeschwindigkeit aufgetragen. Daraus ersieht man, daß feinkörnige Fördergüter ein größeres Verhältnis du haben als grobkörnige; denn sie bieten dem Luftstrom eine insgesamt größere Anströmfläche. In Hinblick auf die Vereinfachung des Berechnungsverfahrens wird nun folgende Verallgemeinerung vorgeschlagen: staubförmiges und grießiges Fördergut körniges Fördergut

(Gl.4.13)

Der Übergang ist flexibel zu handhaben. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß im nächsten Abschnitt beim Beschleunigungsverlust du im Zähler steht, während du beim Hubverlust nach Gl. 4.12 im Nenner erscheint. Dadurch hebt sich ein Fehler teilweise wieder auf, eine Tatsache, die schon manchem schwachen Berechnungsverfahren zu brauchbaren Ergebnissen verholten hat. 4.2.3.5

Beschleunigungsverlust

In der Beschleunigungsstrecke wird das Fördergut längs der Förderlänge / auf die Gutgeschwindigkeit c des Beharrungszustandes gebracht (s. Bild 2.20). Mit dem Impulssatz läßt sich der dafür erforderliche Druckverlust ermitteln [4.16]:

((T!. 4.14)

Der Beschleunigungsverlust ist demnach proportional zum Geschwindigkeitsverhältnis dv. So müssen in Bild 2.23 bei t; — 30 m/s die schweren Stahlkugeln mit cl\> = 0,55 nur auf 17 m/s beschleunigt werden, während das feine Polystyrolgranulat mitr/o = 0,9 auf 27 m/s beschleunigt wird. Das ist entsprechend Gl. 4.14 natürlich mit einem erhöhten Energieverlust verbunden.

96

4.2.3.6

Krümmerverlust

Nach Abschnitt 2.3.3.4 ist der Druckverlust im Rohrkrümmer ebenfalls ein Beschleunigungsverlust, allerdings von einer gewissen Anfangs-Gutgeschwindigkeit, auf die das Fördergut durch den Aufprall auf die Rohrwand abgebremst wurde. Mit dem Impulssatz erhält man dann für den Krümmerverlust ähnlich wie Gl. 4.14: ty K = H~-eL-v*

(Gl.4.15)

Nach Abschnitt 2.3.3.4 und zahlreichen Messungen des Verfassers [4.16] ist der Krümmerverlust 30 bis 50% des Beschleunigungsverlustes. Außerdem hat der Rohrkrümmer in der Waagerechten einen anderen Druckverlust als die Krümmer waagerecht/lotrecht oder lotrecht/waagerecht. Schließlich haben zwei Rohrkrümmer hintereinander mit geringem Abstand durchaus nicht den doppelten Druckverlust wie ein einzelner; denn das Fördergut wird nach dem ersten Krümmer nicht auf die volle Gutgeschwindigkeit im Beharrungszustand beschleunigt. Da diese vielen Möglichkeiten nur schwer präzise erfaßt werden können, wird folgende inzwischen bewährte Vereinfachung für alle Rohrkrümmer vorgeschlagen: ^L = J_.£. v 2 v

(Gl.4.16)

Mit Gl. 4.16 wird aus Gl. 4.15, wenn der gesamte Rohrkrümmerverlust sich auf / Rohrkrümmer bezieht: l c ApK = / • / < • y — • Qi. • v2

4.2.3.7

Gesamtdruckverlust

Aus den Gl. (4.9, 4.11, 4.12, 4.14 und 4.17) erhält man den Gesamtdruckverlust als Summe der Einzeldruckverluste (ohne Ap\\-): Ap = ApL + Aps = Ap,. + Ap R + Ap H + ApB + ApK

_ 61.

, f

A/

+

/ X s - A/,

A/

'"! -^ -Ä/T

2-A/;-£ — ir ü

In Gl. 4.18 steht die l in der letzten Klammer für die Beschleunigung nach Gl. 4.14. Sollte Gl. 4.18 dazu benutzt werden, die Druckverluste in abgestuften Rohrleitungen für jede Stufe konstanten Rohrdurchmessers zu errechnen, ist die l dann durch eine 0 zu ersetzen, wenn zu Beginn der Stufe keine Beschleunigung erforderlich ist. Hier hat das Fördergut gewöhnlich bereits die Beharrungsgeschwindigkeit c.

97

Es ist zweckmäßig, in Gl. 4.18 einzelne Termc durch Faktoren zusammenzufassen: Ap, = KI • — - i r

(01.4.19)

(Gl. 4.20) Ap — Api + Aps Ap = K • y- • i>2 = (K, + /( • K s ) ' -y • u2

(Gl.4.21)

Dabei ist: A/

K^^--%i3 A/,

(Gl. 4.22) +

^-g+2.^.(l+ L' c ü \ 2 / u

(Gl.4.23)

. ;;-

A/

[ /-s ' A/,

A/

2 • A/; - ^

Der Druckverlust nach Gl. 4.21 ist demnach gleich dem Produkt aus dem dynamischen Druck O[ • {rll und dem Faktor K, in den alle Eigenschaften des Förderguts, des Fördermittels und der Förderanlage eingehen. 4.2.4

Auslegung einer pneumalischen Förderanlage hei Vernachlässigung der Kompressibilität der Luft

Vernachlässigt man die Kompressibilität der Luft, was nach Abschnitt 4.2.1 nur bei kleinen Drücken zulässig ist, dann ist die pneumatische Förderung in der Sauganlage gleich wie in der Druckanlage. Da die Berechnung nach den Abschnitten 4..-$ und 4.4 mit vertretbarem Aufwand durchgeführt werden kann, wird die genaue Rechnung immer nach diesen Kapiteln erfolgen. Dennoch hat sich die Berechnung nach Abschnitt 4.2 für die Abschätzung des Rohrdurchmessers bei Saug-, Druck- und Hochdruckförderanlagen bewahrt. 4.2.4.1

Rohrdurchmesser

Bei den meisten wirtschaftlich arbeitenden Flugfördcranlagen ist die Gutbeladung ft größer als 10. Dadurch wird der Druckverlustanteil A/JS in Gl. 4.21 eine Größenordnung höher als Api. Für die Abschätzung des Rohrdurchmessers genügt in diesem Fall Gl. 4.2Ü:

98

QS

ös-4-.Ks-^-v

ei 02 *>>=&;-vK*--T= —. m

2-K,-Qs-0_ Jt • a2

(GL 4 _ 2 5 )

Daraus erhält man für den Rohrdurchmesser: d

• Ks • Qs • u

(GL 4 ^ 6 )

K • A/> s

Dabei ist KS aus Gl. 4.23 zu errechnen. Der Gutmassenstrom Qs ist gegeben. Die Luftgeschwindigkeit v ist nach Tabelle 4.3 zu wählen. Schließlich ist der für Aps einzusetzende Druckverlust mit der gesamten Druckerhöhung des vorgesehenen Gebläses in Einklang zu bringen, so daß der später errechnete gesamte Druckverlust vom Gebläse auch aufgebracht werden kann. Für Mitteldruckanlagen mit Drehkolbengebläse (Druckerhöhung max. l bar) empfiehlt es sich, etwa 70% der Druckerhöhung des Gebläses für Aps einzusetzen. Ist die Förderleitung sehr lang oder eine lange Luftleitung vorhanden, kann dieser Anteil auch kleiner sein. Der nach Gl. 4.26 errechnete Rohrdurchmesser hat eine Größe, die so exakt nicht verfügbar ist. Nach dem errechneten Wert ist entsprechend den handelsüblichen Rohrdurchmessern ein Rohr zu wählen. Wählt man den Rohrdurchmesser größer als den errechneten, wird später analog zu Gl. 4.26 der Druckverlust kleiner und umgekehrt. Man hat hier also die Möglichkeit, die Druckerhöhung des Gebläses mehr oder weniger auszunutzen. Reicht die Druckerhöhung des Gebläses schließlich nicht aus, muß man einen größeren Rohrdurchmesser wählen und die Rechnung wiederholen. 4.2.4.2

Luftvolumenstrom

Mit dem gewählten Rohrdurchmesser d und der zuvor festgelegten Luftgeschwindigkeit u ergibt sich der Luftvolumenstrom zu: Vl =

4.2.4.3

JL .di. „

(Gl. 4.27}

Leistungsbedarf

Vernachlässigt man bei kleinen Druckänderungen die Kompressibilität der Luft, wird auf die Luft durch die Druckerhöhung im Gebläse folgende Leistung übertragen:

p = Ap • VL = *- • d2- • i, • Ap

(G1- 4.28)

Dabei nimmt das Gebläse eine entsprechend dem Gebläsewirkungsgrad höhere Antriebsleistung auf.

99

4.3

Pneumatische Druckförderung unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft

4.3.1

Allgemeines

Die Auslegung von pneumatischen Förderanlagen nach Abschnitt 4.2 ist nur bei kleinen Druckunterschieden (bis etwa 100 mbar) möglich. Bei größeren Druckdifferenzen längs der Förderleitung darf man die Zustandsänderung von Druck, Luftgeschwindigkeit und Luftdichte nicht mehr vernachlässigen, und das ist bei den meisten Förderanlagen der Fall. Da die in den Abschnitten 43 und 4.4 vorgestellten Berechnungsverfahren exakter sind und handlich bleiben, haben sie sich auch für Druckdifferenzen bis zu 100 mbar gut eingeführt. So hat der Verfasser Druckförderanlagen mit Injektoreinschleusung bei Differenzdrücken von nur 6 mbar nach diesen Verfahren mit Erfolg ausgelegt.

4.3.2

Luftgeschwindigkeit

Nach Gl. 4.6 ändert sich bei isothermer Strömung die Luftgeschwindigkeit zwischen den Punkten l und 2 in Bild 4.9 umgekehrt proportional zum Verhältnis der absoluten Drücke. Da am Ende der Förderleitung der Druck kleiner als am A n f a n g ist, ist dort die Luftgeschwindigkeit größer. Die in Tabelle 4.3 empfohlenen Luftgeschwindigkeitcn beziehen sich auf den Atmosphärenzustand. Dieser sei nach Abschnitt 3.3 gekennzeichnet durch die Luftdichte o,n = 1,2 kg/m 1

Dabei steht der Index 0 bei Druck, Dichte und Luftgeschwindigkeit für den Atmosphärenzustand. Nach Bild 2.30 herrscht am Ende der Druckförderanlage gewöhnlich der Atmospharenzustand mit p, () — 1,2 kg/m3. Sollte dieser mehr als 10% verfahrensbedingt oder durch eine größere geodätische Höhe abweichen, ist das mit einer Geschwindigkeitsänderung nach Gl. 4.8 zu kompensieren. Dadurch wird berücksichtigt, daß ein minimal erforderlicher dynamischer Druck nicht unterschritten wird. Hat eine pneumatische Druckförderanlage einen konstanten Rohrdurchmesser c/und herrscht am Ende der Atmospharenzustand mit einer Luftgeschwindigkeit nach Tabelle 4.3, dann ist am Anfang die Luftgeschwindigkeit umgekehrt proportional zum Druckverhältnis kleiner. Das soll ein Beispiel für das Fördergut PE-Granulat mit folgenden Werten erläutern. Drücke: pi = Pu = l bar, Ap = l bar, px = p, + Ap = 2 bar.

Mit j; = 22 m/s nach Tabelle 4.3 ergibt sich für die Anfangsgeschwindigkeit: (J

100

= vo--2-- = 2 2 - ^ - = 1 1 m/s P\ 2

Würde man in dieser Anlage i>t = 22 m/s setzen, dann wäre bei gleicher Druckdifferenz die Luftgeschwindigkeit am Ende: !>2 = "o = 44 m/s

Diese hohe Luftgeschwindigkeit würde zu höherem Druckverlust, größerem Energiebedarf, verstärktem Gutabrieb und höherem Anlagenverschleiß führen. Nach dem Prinzip des minimal erforderlichen dynamischen Drucks ist mit Gl. 4.8 die Luftgeschwindigkeit am Ende nur entsprechend der Wurzel aus dem Druckverhäitnis anzuheben: ,,,

~V~i

U

T

Die Anfangsgeschwindigkeit beträgt dann: „ = 31,1^. [=15,6^Diese Luftgeschwindigkeit gewährleistet, daß am Anfang der erforderliche dynamische Druck k m2 N ,, d>, = -jQi. • v-, - -$1,2 -^ g •„2 Ap 22- -s2- = lon 290 —2

nicht unterschritten wird, denn es ist: 2 • 1 ? ke m2 N A/7 llvn = ^-^- -gr- • 15,62 --,2- = 292 ^ 2 m' s m2

Um darüber hinaus die hohe Luftgeschwindigkeit von 31,1 m/s am Ende zu verringern, wird man bestrebt sein, durch eine Erweiterung des Rohrdurchmessers die Luftgeschwindigkeit herabzusetzen. Auch dabei darf der minimal erforderliche dynamische Druck nicht unterschritten werden. So kann man auf den größeren Rohrdurchmesser d± nach Gl. 4.8 erst an dem Punkt der Förderleitung erweitern, wo sich die Absolutdrücke p] zu pj umgekehrt verhalten wie die Rohrdurchmesser d\ und d± hoch 4. Sonst würde der erforderliche dynamische Druck unterschritten. Bei bekannten handelsüblichen Rohrdurchmessern muß man mit der Abstufung so weit längs der Förderleitung gehen, bis der Druck p, auf den eben ermittelten Druck p2 gefallen ist. Kleine Fehler (z.B. 5%) wirken sich nicht aus, da in den Luftgeschwindigkeiten nach Tabelle 4.3 unter Berücksichtigung der Steilheit der Gebläsekennlinie noch gewisse Sicherheiten enthalten sind. Folgendes Beispiel zeigt jedoch, daß hier oft in Unkenntnis der Sache falsch gehandelt wird. Die Druckförderanlage eines Betreibers verstopfte, nachdem er die Förderlänge vergrößert hatte. Dabei hatte das Gebläse noch Druckreserven. Unter Berücksichtigung des Vorausgegangenen lautete die Diagnose: Der erforderliche dynamische Druck wurde am Punkt der Einschleusung durch den erhöhten Druckverlust nach der Erweiterung der Förderlänge unterschritten. Daraus folgt die Maßnahme, am Anfang der Förderleitung ein Rohr mit kleinerem Durchmesser einzusetzen. Diese Maßnahme ist ohne Kenntnis der Grundlagen schwer zu verstehen, denn dem Nichtfachmann leuchtet nicht ein, daß das Fördergut durch ein kleineres Rohr besser als durch ein größeres strömen soll.

101

4.3.3

Druckverlust

4,3.3.1

Druckvcrlust bei kompressiblcr Luftströmung

Gl. 4.9 gilt nur für inkompressihlc Fördermittel. Bei kompressibler Strömung ändern sich die Zustandsgrößen (Druck, Luftdichte, Luftgeschwindigkeit) längs der Rohrlänge /. Da das für Luft zutrifft, ist diese Gleichung streng genommen nur in differentieller Schreibweise richtig:

(Gl. 4.29)

d

Wenn am Ende der Atmosphärenzustand (Index 0) herrscht, wird aus den dl. 4.5 und 4.6: /' po

(Gl. 4.30) (Gl. 431)

Damit erhält man aus Gl. 4.29: dp dl

=

_ _AL_ . _£LO JL.ul. l P» V d 2 ' po ' l M P /

•*L ei.o 'd ' 2

.2°. P

(Gl. 4,32)

Daraus ergibt sich für den Druck p im Rohr in der Entfernung A/ vom Beginn mit den Randbedingungen p(0) = p und p(A/) = p0, wobei p > po ist: = --7'^f - » j - p j d ' oder:

Für den Druckverlust A/; im Rohr mit der Länge A/ erhält man: A/

a

pj o - ^ o V1-'

(GI.4,33)

Nach Gl. 4.33 ist der Druckverlust bei kompressihler Luftströmung im Rohr proportional einem Produkt aus dem Atmosphä'rendruck p(t am Ende der Förderleitung (Druckförderung) und einem um l verminderten Ausdruck, der die folgenden Größen enthält: •J den auf den Atmosphä'rendruck bezogenen zweifachen dynamischen Druck, ÜD die Rohrgeometrie, LH den Widerstandsheiwert.

102

4.3.3.2

Druckverlust bei kompressibler Gut-Luft-Strömung

In Gl. 4.33 erfaßt der Term /.( • l^lld den Anteil der Luftreibung, der mit den vier anderen Anteilen den Faktor K in Gl. 4.24 ergibt. Ersetzt man nun diesen Term in Gl. 4.33 durch K, dann integriert man den Druckverlust längs der Förderleitung nicht mehr für die reine Luftströmung, sondern für die pneumatische Förderung: (Gl.4.34) Wie bei Gl. 4.33 sind in Gl. 4.34 die Widerstände gleichmäßig über die ganze Förderleitung verteilt. Das ist in der Praxis jedoch nicht für den Beschleunigungs- und für die Krümmerwiderstände der Fall, die als Einzelwiderstände auftreten. Dennoch ist der dadurch bedingte Fehler gering. Der Beschleunigungsverlust tritt am Anfang der Förderleitung bei geringer Luftgeschwindigkeit auf. Deswegen ist er kleiner, als wenn man ihn nach Gl. 4.34 integriert ermittelt. So wird der nach Gl. 4.34 errechnete Druckverlust stets etwas über dem tatsächlichen liegen, selbst dann, wenn mehrere Krümmer am Ende, wie z.B. bei einer Silo-Beschickungsanlage, eingebaut sind. Es ist kein Fall bekannt, wo die Rechenergebnisse allzuweit von den später gemessenen abweichen. 4.3.4

Auslegung einer pneumatischen Druckförderanlage unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft

Es hat sich als sinnvoll erwiesen, grundsätzlich alle pneumatischen Druckförderanlagen unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft auszulegen. Der Zusammenhang zwischen Gutmassenstrom, Rohrdurchmesser und Druckverlust führt allerdings dazu, daß man sich dem Endergebnis schrittweise nähern muß. Dabei kann man in den ersten Schritten bis zur Entscheidung für den Rohrdurchmesser die Kompressibilität der Luft noch unberücksichtigt lassen. 4.3.4.1

Druckförderanlage ohne Abstufung des Rohrdurchmesscrs

In Tabelle 4.4 ist das Vorgehen zur Auslegung einer pneumatischen Druckförderanlage ohne Abstufung des Rohrdurchmessers aufgezeigt. Eingeschlossen in diesen Plan ist allerdings eine mögliche Erweiterung des Rohrdurchmessers auf den letzten Metern, damit das Fördergut mit nicht zu großer Geschwindigkeit auf die Abscheiderwand aufprallt. Im 1. Schritt werden die Daten eingegeben, die der spätere Betreiber der Anlage dem Hersteller aufgibt. Im 2. Schritt legt der Hersteller mit seinem Wissen (z. B. nach Abschnitt 4.2) die für die Berechnung zusätzlich erforderlichen Werte fest. Der 3. Schritt dient der Abschätzung des Rohrdurchmessers. Bis hierhin kann die Kompressibilität der Luft vernachlässigt werden. Die Wahl des Rohrdurchmessers ist nach Abschnitt 4.2.4 möglich. Ob sie richtig war, bestätigt letztlich erst der 4. Schritt. Bis zum 3. Schritt läuft die Auslegung von Druck- und Sauganlagen gleich.

103

Tabelle 4.4 Ahlaufdiagramm zur Auslegung einer pneumatischen Druckförderanlage ohne Abstufung des Rohrdurchmessers. Gegebene Daten Fördergut Gutmassenstrom Förderweg insgs. davon Hub Anzahl der Krümmer

Name A/ A/?

i

Gewählte Daten (Tabelle 4.3) (Tabelle 4.3)

Luftgeschwindigkeit t>o Druck vcrlust beiwert /.s Gesch windigkeitsverhältnis ( Luftdichte o\

3. Schritt:

Rohrdurchmesser Entscheidung für Gebläseart Abschätzung von d nach Gl. 4.26 Wahl nach Handelsliste (Tabelle 8.1) Abstufungsmöglichkeit auf höheren Rohrdurchme 1 nach Gl.4.8

4. Schritt:

l

Druckverlust Gutbeladung fi nach Gl. 4.39 Faktor K nach Gl. 4.24 Druckverlust Ap, Ap„ nach Gl. 4.34 Korrektur der Luftgeschwindigkeit r> ( )

nach Gl. 4.35

S. Schritt:

I.uft volumenstrom Wahl des Austrittsrohrdurchmcssers dt} Wahl der Luftgeschwindigkeit »(} Schleusenleckluftstrom V-/_ Luftvolumenstrom V[

v 6. Schritt:

Gebläse Type Luftvolumenstrom Druckerhöhung Kennlinie Temperaturerhöhung Drehzahl Leistungsbedarf Motordrehzahl Motorleistung

V 7. Schritt:

Schleuse Type Drehzahl, bzw. Taktzeit Druckdifferenz Leckluftstrom V / Druckverlust 1

8. Schritt:

Luftleitung a) vor der Förderleitung Durchmesser Länge Druckverlust b) nach der Förderleitung Durchmesser Länge Druckverlust

9. Schritt:

Abscheider, Filter Luftvolumenstrom Filterfläche Filterbelastung Druck Druckverlust Spülluftbedarf (Druck, Menge)

Ende

105

Im 4. Schritt wird der Druckverlust nach Gl. 4.34 mit allen erforderlichen Vorarbeiten errechnet. Dabei kann die Berechnung von Druckanlagen nur auf das Ende der Förderleitung bezogen werden, wo der Atmosphärenzustand herrscht. Der geringere dynamische Druck bei der Einschleusung in die Druckanlage macht dann allerdings ein Anheben der Luftgeschwindigkeit erforderlich. Wenn !>,, die Luftgeschwindigkeit am Anfang und (;() die Luftgeschwindigkeit am Ende ist, folgt aus Gl. 4.H für die erforderliche Anfangsgeschwindigkeit beim erhöhten Druck

p„ + AP Und isotherm umgerechnet auf den Zustand am Ende: p„ + Ap _

|

lp„ + Ap_

/'

(Gl. 4.35) Ist A/; z.B. gleich I bar, dann erhöht sich die neue Endgeschwindigkeit auf das 2fache. Damit wird im 4. Schritt die Gutbeladung /.i und der Faktor K kleiner. In einem 2. Rechengang steigt der Druckverlust Ap nach Gl. 4.34, da hier die Luftgeschwindigkeit quadratisch eingeht. Und so wird nach Gl, 4.35 die Luftgeschwindigkeit erneut höher, so daß ein weiterer Rechengang durchzuführen ist. Nach 3 bis 4 Iterationen nimmt erfahrungsgemäß der Druckverlust nur noch unwesentlich zu. Damit kann die Druckverlustberechnung beendet werden. Im 5. Schritt wird der zuvor errechnete Druck Verlust mit dem im 3. Schritt ermittelten Druckverlust bei einer möglichen Rohrdurchmesserabstufung verglichen und der Rohrdurchmesser d entschieden. Dann wird nach Gl. 4.27 der Luftvolumenstrom ermittelt. Zählt man noch einen eventuell vorhandenen Schleusen-Leckluftstrom dazu, dann erhält man den Luftvolumenstrom \\, bezogen auf den Atmosphärendruck. Mit dem Luftvolumenstrom nach Schritt 5 und dem Druckvertust nach Schritt 4 kann das Gebläse ausgelegt werden (6. Schritt). Dieses Gebläse muß bereits der Abschätzung des Rohrdurchmessers im 3. Schritt zugrunde liegen. Ist der errechnete Druckverlust nach dem 4. Schritt, einschließlich eventueller Druckverluste durch die Schritte 7, 8 und 9 größer als die Druckerhöhung des Gebläses, kann der Rohrdurchmesser größer gewählt oder das Gebläse gewechselt werden. Schließlich muß der Nachweis erbracht werden, daß das Gebläse in der Lage ist, den erforderlichen Luftvolumenstrom bei der auftretenden Druckdifferenz zu liefern. Die Leistung des Gebläses wird nicht errechnet, sondern aus den relativ genauen Kennlinien der Gebläsehersteller entnommen. Es ist üblich, den Antriebsmotor des Gebläses mit etwa 10% Leistungsreserve auszuwählen. Zu einer umfassenden Auslegung einer pneumatischen Druckförderanlage gehört außerdem die Auslegung der Schleuse, der Luftleitungen und des Filters (Schritte 7 bis 9). Diese müssen nicht nur ihre separate Funktion erfüllen, sondern beeinflussen auf verschiedene Weise die Funktion der Druckförderanlage.

106

Tabelle 4.5 Ablaufdiagramm zur Auslegung einer pneumatischen Hochdruck-Förderanlage mit mehrfacher Abstufung des Rohrdurchmessers

1. Schritt:

Auswahl einer Rohrdurchmesserreihe d\ bis \\ nach Gl. 4.37, der Endluftgeschwindigkeit und der Gutbeladung p nach Gl. 4.39

5. Schritt:

Bestimmung der Rohrlänge jeder Stufe nach Gl. 4.38

6. Schritt:

Aufteilen von waagerechter Förderung, lotrechter Förderung, Beschleunigung und Krümmer auf die einzelnen Stufen anhand der Rohrisometrie

7. Schritt:

Errechnen der Druckvcrluste in jeder Stufe, rückwärts, ausgehend von der letzten Stufe nach Gl. 4.34

8. Stufe:

Aufsummierung der Druckverlustc in den Stufen /;,, -/;,, = X Ap„

Aus Tabelle 4.4 ist ersichtlich, daß die Auslegung einer pneumatischen Förderanlage nicht nur ein reiner Rechenvorgang, sondern ein Regelvorgang mit Schleifen, Rückführungen und Entscheidungen ist. 4.3.4.2

Druckförderanlage mit mehrfacher Abstufung des Rohrdurchmcssers

Es ist unumgänglich, den Durchmesser der Förderleitung hei pneumatischen Hochdruckförderanlagen mehrfach abzustufen. Bei einem Druckabfall von 3 bar würde ohne Abstufung die Luftgeschwindigkeit von z.B. 12 m/s auf 4H m/s längs der Förderleitung ansteigen. Dadurch wird das Fördergut und die Förderanlage sehr beansprucht. Vorder Planung einer mehrfach abgestuften Hochdruckförderungist es sinnvoll, eine nicht abgestufte Förderanlage nach Tabelle 4.4 auszulegen. Dann kann man sich bei der Hochdruckförderanlage auf die Schritte 3 und 4 konzentrieren. Im Schritt 3 erhält man einen Rohrdurchmesser, der im Bereich der später ermittelten Rohrdurchmesser liegt. In der Nähe dieses Rohrdurchmessers wählt man handelsübliche Rohrdurchmesser aus (etwa 4} und verfährt weiter nach Tabelle 4.5. Aus Gl. 4.8 kann abgeleitet werden, daß vom ersten (Einschleusimg) auf den n-ten Rohrdurchmesser nach folgendem Druckverlust abgestuft werden k a n n :

(Gl. 4.36)

Pll-prt-pl

In GL 4.36 steht der erste Index für die Stufe. Beim zweiten Index bedeutet die l den Anfang und die 2 das Ende. So ergeben sich die Bezeichnungen nach Bild 4.10. Als Anfangsdruck kann der zuvor nach Tabelle 4.4 errechnete absolute Druck an der Einschleusung eingesetzt werden. Bei einer möglichen Iteration liegen dann genauere Werte vor. Die Luftgeschwindigkeit i/l} an der Einschleusung kann mit den Werten von Tabelle 4.3, die für den Atmosphärenzustand am Ende gelten, nach Gl. 4.8 umgerechnet werden:

1

z| Luftdruck p„,;p„2

bar

Pn

Luftdichte „ Ln , ;BLn2

kg m3

•t,,

Luftgeschwindigkeit

m/s

"n,! "„2

Rohrdurchmesser cfn Bild 4.10

108

mm

Pi2

^

=

ftl

~ -L21

P22

= Pai

P32 = P„,

P42 = Po

-L22

~ '~L31

^L32 = "L4,

°L42

...

,,

"2l

"22 "3l

"32 "41

"42

a,

a,

d2

d2

d3 d,

d.

Die mehrfach abgestufte Förderleitung

rf3

= eLO -0

= ^0

Danach werden die im zweiten Schritt ermittelten Drücke umgerechnet auf den Druckverlust in jeder Stufe. Die Förderlänge A/ wird auf die Längen A/ jeder Stufe so verteilt, daß sie proportional den Druckverlusten in jeder Stufe sind: A/ = A / - P " ' " P " 2 Pn-Po

(Gl.4.38)

Aus dem Verlauf der Förderleitung läßt sich nun ermitteln, wieviel waagerechte Förderung, lotrechte Förderung, Beschleunigung (nur in der ersten Stufe) und Rohrkrümmer jede Stufe enthält. Zur Berechnung des Druckverlusts in jeder Stufe benötigt man noch die Gutbeladung: ,, =

(Gl. 4.39) Q,

n • QU> • dfi • «o

Nun läßt sich der Druckverlust der letzten, d. h. der n-ten Stufe nach Gl. 4.34 errechnen; denn hier herrscht der Atmosphärenzustand am Ende. Vom Beginn der letzten Stufe kann auf den Zustand am Ende der vorletzten geschlossen werden, und so weiter bis zur ersten Stufe. Bei der Errechnung des Faktors K ist darauf zu achten, daß der Beschleunigungsverlust nur in der ersten Stufe auftritt; denn in alle anderen Stufen tritt das Fördergut sogar mit erhöhter Geschwindigkeit ein. Deswegen ist in Gl. 4.24 die l in der letzten Klammer ab der zweiten Stufe für alle weiteren Stufen zu streichen. Die Summierung der Druckverluste in jeder Stufe ergibt den Druckverlust Ap in der Förderleitung. Damit erhält man den erneuten Anfangsdruck:

Dieser ist mit dem zuvor gewählten Anfangsdruck zu vergleichen. Je nach Abweichung der beiden Drücke voneinander ergeben sich für das weitere Vorgehen drei Möglichkeiten: a) p\\ ist wesentlich anders als die Druckerhöhung des Gebläses. In diesem Falle sind neue Rohrdurchmesser zu wählen. b) pn liegt ziemlich nahe bei der Druckerhöhung des Gebläses, einschließlich aller Druckverluste nach Tabelle 4.4. In diesem Fall kann in Hinblick auf genauere Werte der Rechenvorgang nach Tabelle 4.5 wiederholt werden. c) p] i liegt hinreichend nahe bei der Druckerhöhung des Gebläses, einschließlich aller Druckverluste nach Tabelle 4.4. In diesem Fall ist die Berechnung abgeschlossen. Den Fortgang entscheidet der Projektingenieur. Bei mehreren Berechnungen hat sich gezeigt, daß eine Wiederholung (Iteration) mit genauerem Anfangsdruck /;,, stets zur Konvergenz führt. Es empfiehlt sich, für die abgestufte Hochdruckförderanlage ein Berechnungsprogramm aufzustellen. Das ist nach einschlägigen Erfahrungen gut durchführbar und spart, insbesondere bei Iterationen, viel Zeit.

109

4.4

Pneumatische Saugförderung mit Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft

4.4.1

Allgemeines

Nach Abschnitt 2.4 und Bild 2.30 herrscht in der pneumatischen Saugförderanlage am Anfang Atmosphärendruck und am Ende, d.h. vor dem Gebläse, ein Unterdruck. So ist die Sauganlage in ihrem Druckverlust theoretisch auf den Atmosphärendruck Ap = l bar begrenzt. In diesem Kapitel wird noch gezeigt, daß ein wirtschaftlicher Betrieb sich nur bis zu einer Druckdifferenz von A/? = 0,5 bar einstellt. 4.4.2

Luftgeschwindigkeit

Die pneumatische Saugförderanlage hat am Anfang, d.h. an der Einschleusung, die Luftgeschwindigkeit i;0. Diese kann nach Tabelle 4.3 für die einzelnen Fördergüter gewählt werden. Da der dynamische Druck mit der Expansion der Luft längs der Förderleitung zunimmt, wird bei richtiger Wahl von t;0 und bei konstantem Rohrdurchmesser der minimal erforderliche dynamische Druck an keiner Stelle der Förderleitung unterschritten. In der Sauganlage nimmt bei gleicher Druckdifferenz A/J die Luftgeschwindigkeit längs der Förderanlage stärker zu als in der Druckanlage, da sich nach Gl. 4.6 die Luftgeschwindigkeiten wie die Absolutdrücke verhalten. Um eine allzu hohe Luftgeschwindigkeit am Fnde der Förderäeitung zu vermeiden, wird der Förderlcttungsdurchmesser ebenfalls wie bei der Druckanlage nach Gl. 4.8 abgestuft. Da das Druckverhältnis /7| : p 2 , wie vorne erläutert, m a x i m a l gleich 2 ist, während es bei der Druckanlage durchaus 4 und mehr sein kann, werden Sauganlagen höchstens einmal abgestuft. Viele Sauganlagen mit Flächen- oder Raumabsaugung haben ein oder zwei Teleskope in der Lotrechten und in der Waagerechten. Die Teleskoprohre sind ineinander gesteckte

Bild 4. l l T'deskoprohr in einer pneumatischen Saugtörder.inlage

.

110

Rohre. In Förderrichtung gesehen wird das kleinere Rohr vor dem größeren durchströmt (Bild 4.1 I). Gewöhnlich sind die Rohre so eng ineinander gepaßt, wie es die Fertigungstoleranzen zulassen. Sie sind meistens nicht abgedichtet, damit der Spalt infolge der Druckdifferenz gespült wird. Dabei erhöht die angesaugte Spülluftmenge den dynamischen Druck, während die Rohrdurchmessererweiterung ihn erniedrigt. Da die Spülluftmenge von der Spaltlänge abhängt, ist sie am größten, wenn das Teleskoprohr am weitesten ausgezogen ist. 4.4.3

Druckverlust

4.4.3.1

Die Integration des Druckverlusts in der Sauganlage

Der einfache Ansatz für den Druckverlust nach Gl. 4.29 kann auch auf die pneumatische Saugförderung angewendet werden, wobei lediglich andere Grenzen einzusetzen sind. Für die Sauganlage gelten die Grenzen: p(0) = po (gewöhnlich p() = l bar) p(A/) =p mit

po

> p

Damit wird aus Gl. 4.29:

j /y /.o

u// -

-

j

2

'

'

"0

PO J

ul

0

A/ P = Po- f-\. ' -j-' Qui • ÜB ' Po

Daraus ergibt sich für den Druckverlust Ap im Rohr mit der Länge A/ bei reiner Luftströmung:

(Gl. 4.40) Wie bei der Druckanlage in Abschnitt 4.3.3 sei der Übergang von der Saugströmung reiner Luft zur pneumatischen Saugförderung vollzogen, indem in Gl. 4.40 gesetzt wird:

Damit erhält man den Druckverlust in der pneumatischen Saugförderanlage: («. 4.41)

Po

mit dem Faktor K nach Gl. 4.24. Für den Fehler, den man bei der Integration der Einzelwiderstände in der Sauganlage macht, gilt sinngemäß das gleiche wie für die Druckanlage nach Abschnitt 4.3.3.2. 111

Bild 4.12 Druckverlust in einer pneumatischen Saugförderanlage als Funktion des Faktors K bei den Werten Luftgeschwindigkeit: «o = 25 m/s Luftdichte: o,,, = 1,2 kg/m ! a Druckverlust nach Gl. 4.40 (kompressibel) b Druckverlust inkompressibel c physikalische (absolute) Grenze der Sauganlage d Grenze der Sauganlage durch den wirtschaftlichen Gebläseeinsatz

Q. l

1,0

bar

7

0,8

0,6

s

Q. >

0,2

40

80

120

160

Faktor K = KL + u Ks

4.4.4

Auslegung einer pneumatischen Saugförderanlage unter Berücksichtigung der Kompressibilität der Luft

In Tabelle 4.6 ist das Ablaufdiagramm zur Berechnung einer pneumatischen Saugförderanlage aufgeführt. Dabei sind der L, 2. und 3. Schritt die gleichen wie bei der Druckförderanlage, da hier die Kompressibilität der Luft nicht berücksichtigt wird. So sind auch im 4. Schritt die Errechnung der Gutbeladung /< und des Faktors K noch so wie bei der Druckanlage. Erst der Druckverlust Ap wird nach Gl. 4.41 errechnet. Da die Sauganlage den geringsten dynamischen Druck am Anfang hat und hier die Werte (Atmosphärendruck) bekannt sind, braucht bei Saugförderung die Druckverlustberechnung nicht iteriert zu werden. Im 5. Schritt wird der Luftvolumenstrom errechnet: 7t

(Gl. 4.43)

4

Zu diesem Luftvolumenstrom ist ein eventueller Leckluftstrom an der Fördergutausschleusung zu addieren: V,. - V,.0

Vz

113

Tabelle 4.6

Ablaufdiagramm zur Auslegung einer pneumatischen Saugförderanlage

L, 2., 3. Schritt:

Wie Tabelle 4.4

4. Schritt:

Druckverlust Gutbcladung/; nach Gl. 4.39 Haktor K nach Gl. 4.24 Druckverlust Ap nach Gl. 4.41 Abstufungsmöglichkeit nach Gl. 4.8

5. Schritt:

Luftvol umen ström Luftvolumenstrom V\ ( > nach Gl. 4.43 Schleusenleckluftstrom V/ Gesamtvolumenstrom V L nach Gl. 4.44 Luftvolumenstrom V(]1,|,i am Saugstutzen des Gebläses nach Gl. 4.45

6., 7., 8., 9. Schritt:

Wie in Tabelle 4.4

Ende

Sehr wichtig und vom Anfänger manchmal vergessen ist nun der Luftvolumenstrom am Saugstutzen des Gebläses. Da die Liefermengen des Gebläses stets auf den Zustand am Saugstutzen bezogen werden, muß V L nach Gl. 4.44 entsprechend den herrschenden Drücken isotherm umgerechnet werden: V, po -

^p_

(Gl. 4.45)

Po

In Gl. 4.45 bezieht sich Ap auf den Druckverlust von der Einschleusung bis zum Gebläsesaugstutzen.

114

4.5

Berechnungsbeispiele

4.5.1

Allgemeines

In den Tabellen 4.4 bis 4.6 ist das genaue Vorgehen zur Berechnung von pneumatischen Flugförderanlagen beschrieben. Pneumatische Pfropfenförderanlagen oder Fließförderanlagen können auf ähnliche Weise berechnet werden. Dabei müssen allerdings andere Werte der Berechnung zugrunde gelegt werden. Eigentlich ist mit den Abschnitten 4.3 und 4.4 alles zur Auslegung der Förderanlagen gesagt. Da jedoch an gewissen Punkten des Berechnungsverfahrens Entscheidungen verlangt werden, ist es hilfreich, diese Entscheidungen anhand von Berechnungsbeispielen nachzuvollziehen. 4.5.2

Beispiel einer pneumatischen Druckförderanlage

Die auszulegende Anlage hat folgende Daten: 1. Gegebene Daten: Fördergut: Zementrohmehl Korndurchmesser: d^ = 0,01 mm Raumdichte: £>s = 2700 kg/m ! Schüttdichte: £>ss = 960 kg/m' Cjutmassenstrom: Qs = 20 t/h = 5,55 kg/s Förderweg: insgesamt A / = 100 m davon Hub Ah = 20 m Rohrkrümmer i= 3 Förderverlauf: Einschleusung, 50 m waagrecht, Krümmer waagr./lotr., 20 m lotrecht, Krümmer lotr./waagr., 20 m waagrecht, Krümmer waagrecht, 10 m waagrecht, Gutabscheidung 2. Gewählte Daten: Luftgeschwindigkeit: u0 = 24 m/s (Tabelle 4.3} Druckverlustbei werte: /i. = 0,03 (rauhes Rohr) /.s-A/i/rf = 0,15 (Tabelle 4.3) Geschwindigkeits Verhältnis: c/i) = 0,7 (schweres Pulver)

115

3. Abschätzung des Rohrdurchmessers Beim Einsatz eines Zellenverdichters steht folgende Druckerhöhung des Gebläses zur Verfügung: Ap = 2 bar. Davon entfallen auf die reine Gutförderung: Aps = l,5 bar = 150 000 Pa

Aus Gleichung (4.23) folgt für K, : 2 • 20 m • 9,81-"^ K, = 0,15 • 100 + —r5— + 2 • 0,7 (l + 0,5 • 3) 0,7 • 576 s= 15 + 0,97 + 3,5 = 19,47 Damit erhält man für den Rohrdurchmesser: 1 2 - 19,47 • 5,55 kg/s • 24 r^/T V 7t-150000kg/(m-s 2 ) = 0,1049 m = 104,9 mm Gewählter Rohrdurchmesser nach DIN 2448 (Tabelle 8.1): d= 107,1 mm (114,3 -3,6) Nächst größerer Rohrdurchmesser: d= 113mm (121 - 4 )

Wenn der Druck am Anfang p\ = l + 1,5 = 2,5 bar ist, kann bei folgendem Druck p2 nach Gleichung (4.8) auf den größeren Durchmesser abgestuft werden: p2 = 2,5 bar l

' ) = 2,03 bar

Das entspricht einem Druckverlust Ap = 2,5-2,023 = 0,477 bar. 4. Druckverlust Gutbeladung:

,

4 - 5 , 5 5 kg/s

Jt- 1,2—^-- 0,01147m 2 - 2 4 — m' s Faktoren:

K = KL + ft • Ks = 28 + 21,4 • 19,47 = 444,5

116

Tabelle 4.7

Iteration der Zustandswerte von Beispiel 4.5.2

Rechenschritt

Dimension

1

2

3

4

Luftgeschwindigkeit un Gutbeladung// Faktor K Druckverlust Ap

m/s 1 1 N/m 2

24 21,4 444,5 101800

34,1 15,06 321,2 134100

36,7 13,99 300,4 142000

37,3 13,76 295,9 143700

Druckverlust:

Ap' = 10 5 — • m2r

-l

l + 444,5 • 10

= 101 800 Pa = 1,018 bar

Mit diesem errechneten Druckverlust wird die erforderliche Luftgeschwindigkeit neu bestimmt. Dadurch ändert sich die Gutbeladung und der Faktor K sowie der Druckverlust. Die Iteration erfolgt in einer Schleife (Tabelle 4.7). Nach dem 4. Schritt ändern sich die Werte nur noch unbedeutend. Diese Werte seien die Grundlage für weitere Berechnungen. Da entsprechend 3., Abschätzung des Rohrdurchmessers, bereits nach einem Druckverlust von 0,477 bar auf den Rohrdurchmesser 113 mm abgestuft werden kann, könnte diese Abstufung durchgeführt werden; denn nach Tabelle 4.7 ist der Druckverlust ohne Abstufung 1,437 bar. Eine weitere Nachrechnung der dann gleich mehrfach abgestuften Förderleitung soll im Beispiel Abschnitt 4.5.3 erfolgen. Wird die Förderleitung nicht abgestuft, dann gelten folgende Rechenwerte: Rohrdurchmesser: d Druck Verlust:

= 107,1 mm

Ap = l,437 bar

Luftvolumenstrom: V = 4 0,1071 2 m 2 • 37,3 — = 0,336 — 4 s s = 20,16^ Diese Werte dienen zur Auswahl des Gebläses (6. Schritt in Tabelle 4.4) aus der Lieferliste von Gebläseherstellern.

117

4.5.3

Beispiel einer pneumatischen Hochdruckförderanlage

Infolge der hohen Luftgeschwindigkeit von v() = 37,3 m/s am Ende soll die Förderanlage nach Abschnitt 4.5.2 mehrfach abgestuft werden. Dabei werden die Rohrdurchmesser nach Tabelle 8.1 eingesetzt. Das Vorgehen erfolgt nach Tabelle 4.5 und ist in Tabelle 4.8 durchgeführt. Die mehrfach abgestufte Hochdruckförderanlage hat mit Ap = 1,211 bar einen geringeren Druckverlust als die nicht abgestufte mit Ap = 1,437 bar. Außerdem liegt die Endgeschwindigkeit i;0 = 27,5 m/s wesentlich unter der Luftgeschwindigkeit u = 37,3

Tabelle 4.8 spiel 4.5.3

Berechnung einer mehrfach abgestuften pneumatischen Druckförderung nach Bei-

L u f t d r u c k / ? n l ; p l]2

bar

Pu

P\>

Luftdichte pi n | ; pi Il2

kg m3

giu

«ii2

Luftgeschwindigkeit

m/s

"II

"12

"2l

"22

x«rn

0,8

X

i i 0,6

o ^-^"•'\

^^

. 0,4

D

^^

E

^

f

^ 0,2

0

10

20

30

40

50

60

Gutbeladung u

70

80

»-

Grenzkurve c„ = v

12 m/s

10

c

6 -

ä o

O) CD

2

4

6

8

Luftgeschwindigkeit v am Ende

130

10 m/s 12

Bild 5.11 Gemessene Pfropfengeschwindigkeit als Funktion der Luftgeschwindigkeit mit und ohne Taktung Aa Anfangsgeschwindigkeit ohne Taktung Eg Endgeschwindigkeit ohne Taktung AT Anfangsgeschwindigkeit mit Taktung ET Endgeschwindigkeit mit Taktung

Der Bereich B in den Bildern 5.8 und 5.9 hat sowohl eine obere Grenze, jenseits der nicht mehr genügend Fördergut in die Förderanlage einzuschleusen ist, als auch eine untere Grenze. Jenseits der unteren Grenze, die auch von R. ERNST [5.7] und vom Verfasser [5.2] beobachtet wurde, bilden sich keine Pfropfen aus. Die Granulatkörner fliegen oder rollen bei zu geringer Konzentration einzeln durch die Förderleitung. Ein Vergleich von Bild 5.8 mit 5.9 zeigt, daß die untere Grenze der Pfropfenförderung bei Taktung wesentlich niedriger (ungefähr bei Qs = 0,5 t/h) liegt als ohne Taktung (ungefähr bei Qs = 1,5 t/h). Darin liegt der besondere Vorzug der Taktung, daß sie zugleich eine genauere Dosierung des Gutmassenstroms bewirkt, indem schubweise ein Pfropfen nach dem anderen zugeteilt wird. Der Zustand der Pfropfenförderung ist grundsätzlich auch ohne Taktung möglich. Der höhere bauliche und steuerungstechnische Aufwand ist nur mit der besseren Dosierung im Bereich kleiner Gutmassenströme zu rechtfertigen. R. FEI.LMETH [5.8] hat zum zuvor beschriebenen Zustandsdiagramm (Bild 5.8) die Pfropfenfrequenzen am Anfang und am Ende der Förderleitung gemessen und über der Gutbeladung aufgetragen (Bild 5.10). Diese Frequenzen stellen sich ohne jede Taktung ein. Bild 5.10 zeigt, daß sich die Pfropfenfrequenz längs der Förderleitung ändert. Sie ist am Anfang etwa doppelt so groß wie am Ende. Das ist nur möglich, wenn die Pfropfen am Ende länger als am Anfang sind. Nach Bild 5.10 nimmt die Pfropfenfrequenz etwa linear mit der Gutbeladung zu. Das deutet auf Pfropfen annähernd gleicher Länge hin. Dagegen hat die Luftgeschwindigkeit fast keinen Einfluß auf die Pfropfenfrequenz. Nach den Ausführungen zu Abschnitt 2.3 ist bei der pneumatischen Förderung die Gutgeschwindigkeit und damit die Pfropfengcschwindigkeit kleiner als die Luftgeschwindigkeit. Die Messungen von R. FELLMETH nach Bild 5.11 stimmen im wesentlichen mit den Ausführungen von M. BOHNET überein [5.10]. Da die Luftgeschwindigkeit am Anfang niedriger als am Ende ist, bewegen sich auch die Pfropfen am Anfang langsamer als am Ende. Außerdem ist die Pfropfengeschwindigkeit mit und ohne Taktung annähernd gleich. Schließlich läßt sich aus Bild 5.11 näherungsweise entnehmen, daß bei Pfropfenförderung die Differenzgeschwindigkeit zwischen Luft und Pfropfen u — c als Funktion der Luftgeschwindigkeit annähernd konstant ist. Das hat B. Legel [5.11] veranlaßt, die Pfropfengeschwindigkeit als parallele Ausgleichskurve zur Geraden c = u zu zeichnen. Geht man von einem konstanten Widerstand und damit von einem konstanten Druckverlust zur Pfropfenverschiebung aus, dann würde analog zu Gl. 2.7 die Differenzgeschwindigkeit i; — c konstant werden. Die leichte Krümmung der Kurven c in Bild 5. l l kann folgende Ursache haben: a) Der Verschiebewiderstand ändert sich mit der Pfropfengeschwindigkeit. b) Der Term

nach Gl. 2.7 ändert sich mit zunehmender Luftgeschwindigkeit, indem sich vor allem der Pfropfen bei höherer Luftgeschwindigkeit auflockert. Das heißt, der Hohlraumanteil wächst mit steigender Luftgeschwindigkeit.

131

5.4.3

Verfahren der Pfropfenförderung

In Tabelle 5.1 wurden in der Praxis eingesetzte Förderverfahren zusammengestellt und mit Daten versehen, soweit sie dem Verfasser zugänglich waren. Die angegebenen Grenzwerte beziehen sich auf realisierte Anlagen. Sie sind jedoch häufig noch nicht das Ende einer möglichen Entwicklung. Die ersten beiden Verfahrensentwicklungen (Waeschle und Bühler) beziehen sich auf die klassische Pfropfenförderung von Granulaten mit großem Hohlraumanteil. Durch die Taktung erreicht der dritte Verfahrensentwickler (Gericke) auch eine Pfropfenförderung von feinkörnigem und kohäsivem Fördergut. Da derartige Pfropfen ähnlich den Granulatpfropfen während der Förderung zerfallen können, könnten sie die Förderleitung derart zusetzen, daß keine Luft mehr durchströmen kann, um die Stopfenbildung in Pfropfen aufzulösen. Deswegen ist diese Entwicklung auf kleinere Förderlängen begrenzt. Für extreme Fördergüter und Förderlängen bietet dieser Hersteller andere Verfahren an, die in Abschnitt 5.6 beschrieben werden. Die Entwicklung Nr. 4 soll ebenfalls für kohäsive und klebrige Fördergüter einsetzbar sein, da nach jedem durchgeförderten Pfropfen eine Kugel als Schubkörper die Förderleitung reinigt. Die hier aufgeführten Verfahren, die zwangsweise firmenbezogen sind, können nur einen Teil der in der Industrie eingesetzten Verfahren und Anlagen beschreiben. Aufwendigere Verfahren für schwierigere Fördergüter werden in Abschnitt 5.6 behandelt. Schließlich sei noch erwähnt, daß die Pfropfenförderung ein Naturgesetz und als solches gesamtheitlich nicht patentfähig ist. Außerdem wäre die Patentschutzzeit von 20 Jahren bereits abgelaufen; denn das Phänomen wurde schon vor längerer Zeit beobachtet und beschrieben, wenn auch die Propfenförderanlagen erst seit 10 bis 15 Jahren gebaut werden. Tabelle 5.1 Verfahren zur pneumatischen Pfropfenförderung Entwicklung Hersteller

1 Waeschle Ravensburg

2 Bühler U/.wil

3 Gericke Zürich

4 Kabushiki Tokio

Unterlage

Prospekt

Prospekt

Prospekt

Name

Langsamförderung nein 2-8 m/s

Taktschub

Pulse-Flow

DE-PS 2 628 811 Förderung mit Schubkörper

ja

ja

\*

2 -6 m/s

2-8 m/s

5 m/s

10-100 0,5-10 mm nein

10-100 0,5 -10 mm nein

max. 80 grob und fein ia(?)

-

1000 m

1000m

200 m

50 t/h

50 t/h

1-6 bar

0,5-6 bar

Taktung Luftgeschwindigkeit Gutbeladung Korndurchmesser kohäsives Schüttgut maximaler Förderweg maximaler Gutmassenstrom Druck

132

bis 3 bar

grob und fein ja

5.5

Verfahren der pneumatischen Fließförderung

Nach den Ausführungen zu Abschnitt 2.1.6 können viele Schüttgüter infolge der Durchströmung von Luft im Fließbett einen flüssigkeitsähnlichen Zustand annehmen. Flüssigkeiten lassen sich einfacher als Feststoffe (hier in Form von Schüttgütern) fördern. Das Zustandsdiagramm der Flüssigkeitsförderung heschreibt die quadratische Parabel nach Gl. 2.2. Diesem gleicht das Zustandsdiagramm der Fließförderung nach Bild 2.16. 5.5.1

Fließbettförderung

Bei der Fließbettförderung, die nicht im engeren Sinne zur pneumatischen Förderung zählt, wird ein Schüttgut von Luft mit einer Geschwindigkeit größer als der Luftgeschwindigkeit am Auflockerungspunkt UAP ' n Bild 2.12 durchströmt. Dadurch wird das Schüttgut fluidisiert. Erfolgt dies in einer Rinne mit nur wenigen Grad Neigung (Bild 5.12), dann fließt das Schüttgut in der sogenannten Fließrinne ähnlich einer Flüssigkeit abwärts. Bild 5.12 Die Fließrinne a Reinluftkanal b poröser Boden aus Gewebe, Sintermetall oder Sinterkunststoff c Förderkanal \

, Die für eine Schüttgutbewegung erforderlichen Rinnenneigungen und die daraus folgenden Gutgeschwindigkeiten hat K. KEUNEKE [5.12] untersucht. Insbesondere bei feinkörnigen und schweren Pulvern arbeiten Fließrinnen sehr wirtschaftlich. Für die Drucklufterzeugung genügt der Einsatz eines Ventilators. Der geringe Energiebedarf führt zu Gutmassenströmen bis zu 3000 t/h [5.13]. 5.5.2

Ausgeführte Fließförderverfahren

Mit Daten ähnlich dem Zustandsdiagramm nach Bild 2.17 führt die Firma Bühler unter dem Namen Fluidlift Fließförderanlagen aus [5.14]. Aus dem Kurven verlauf in Bild 5.13 läßt sich schließen, daß diese Förderung im Bereich der Strähnenförderung liegt. Die zu diesem Förderverfahren angegebenen Werte lauten: Korngröße: Förderweg: Gutmassenstrom: Druckbereich:

0 bis 2 mm 100 bis 1000 m 10 bis 100 t/h 0,5 bis 2 bar

Der hohe Druck ist hier erforderlich, weil das pulverförmige Fördergut nicht nur nach Bild 5.12 fluidisiert, sondern nach Bild 2.17 (Zustandsdiagramm) gefördert wird.

133

1,5

Bild 5.13 Druckverlust als Funktion der Luftgcschwindigkcit bei ausgeführten Fließförderanlagen (Flmdlift) nach [5.14J

bar O) (D

1,0

O O

15

20

25

m/s

30

Luftgeschwindigkeit v —

5.5.3

Sonderverfahren der Fließförderung

Eine Verbindung der energieschonenden Fließbettförderung nach Abschnitt 5.5. l mit der pneumatischen Fließförderung als reiner Lotrechtförderung nach Abschnitt 5.5.2 schlägt H. HAHN [5.15] vor. Bild 5.14 zeigt Anlagenschema und Druckverlauf dieses pneumatischen Fließbett-Fließ-Förderverfahrens. Dabei sind die Strömungsquerschnitte, Drücke und Luftmengen beider Förderarten aufeinander abzustimmen.

Bild 5.14 Kombinierte Verfahren der pneumatischen Fließbctt- und Fließförderung nach [5.15]

Druckverlauf

Förderweg

134

5.6

Verfahren zur Förderung kohäsiver und adhäsiver Schüttgüter

5.6.1

Einfluß von Kohäsion und Adhäsion auf das Förderverfahren

Die meisten der bisher beschriebenen Schüttgüter sind nicht kohäsiv. Das heißt, sie können bei Entlastung (Normalspannung: a = 0) nach Bild 3.6a keine Scherspannung i aufnehmen. Ist nun bei a = 0 entsprechend Bild 3.6b eine Scherspannung übertragbar, die durch Zeitverfestigung auch noch ansteigen kann, dann neigen diese Schüttgüter verstärkt dazu, in der Förderleitung durch Kohäsion einen Stopfen zu bilden. Diese Kohäsion tritt bei den meisten Schüttgütern zusammen mit der Adhäsion auf (Bild 3.7). Die Adhäsion führt zu verstärkter Wandreibung und begünstigt die Stopfenbildung. Ist die Wandreibung größer als die Wandscherspannung durch das Eigengewicht des Schüttguts, bilden sich Wandansätze. Der Einfluß der Kohäsion tritt bevorzugt bei der Dichtstromförderung und bei der Pfropfenförderung auf; denn hier liegen im Bereich kleiner Luftgeschwindigkeiten die Körner oder Partikel des Förderguts aneinander. Beim freien Flug in der Flugförderung stört die Kohäsion weniger. So lassen sich Sägespäne beispielsweise ohne Schwierigkeit bei 20 bis 25 m/s Luftgeschwindigkeit pneumatisch fördern. Verstopfer in pneumatischen Späneförderanlagen können jedoch so fest sitzen, daß bereits verstopfte Teile der Förderleitung ausgebaut und weggeworfen wurden. Der Verfasser hat in einem konkreten Fall solche Pfropfen durch Drehen einer langen Dachlatte «aufgebohrt» und war jedesmal erstaunt über den Widerstand, den ein Spänepfropfen einer Axialverschiebung entgegensetzte. Extreme Kohäsion mit Zeitverfestigung, die so weit geht, daß das Schüttgut Festkörpereigenschaften annimmt, liegt folgenden Beispielen zugrunde: a) Das Schüttgut Pulverschnee erstarrt unter Druck zu Gletschereis. b) Kristallzucker im Silo nimmt bei einer relativen Luftfeuchtigkeit über p = 60% Wasser aus der Luft auf und erstarrt bei geringerer Luftfeuchtigkeit wiederum zu einer Zuckerkruste, die allmählich den Siloauslauf zusetzt. c) Wird Sihziumdioxid mit Flugförderung bei » = 20 m/s Luftgeschwindigkeit durch Rohre geblasen, setzt es sich an den Stellen des Rohrkrümmers an, wo sonst der Krümmer verschleißt. Das geht so weit, bis der Rohrkrümmer zuwächst und keine Luft mehr strömt. Ähnlich verhalten sich auch gewisse Milchpulver und spezielle Ruße. Diese Vorgänge sind oft zeitabhängig. Es kann auch sein, daß ein kohäsives Fördergut nach mehreren Tagen Förderung einen nur 0,5 m langen Stopfen bildet, der selbst mit dem Druck des Werksluftnetzes von 6 bar nicht zu beseitigen ist. Um nun kohäsive und adhäsive Schüttgüter bei kleinen Luftgeschwindigkeiten sicher zu fördern, genügt keine gezielte Einstellung von Pfropfen entsprechend Bild 5.7. Vielmehr müssen Maßnahmen getroffen werden, die in der Lage sind, einen zum Stopfen neigenden Pfropfen bereits im Entstehen oder kurz danach wieder aufzulösen. Solche Maßnahmen beschreibt W. KRAMBROCK [5.16J. Wenn auch bereits in den Abschnitten

135

5.3 und 5.4 mechanische Verfahren zur Beseitigung von Stopfen in Förderleitungen heschrieben wurden, so ist doch die bewährteste Methode zur Vermeidung von Stopfen die Einblasung von Luft an bestimmten Stellen der Förderleitung W. KRAMBROCK hat den erforderlichen Druck zur Verschiebung eines Pfropfens bestimmter Länge in einem Rohr gemessen. Dabei wurde dieser Pfropfen zuvor mit durchströmtet Luft verschiedenen Druckes verdichtet. Bild 5.15 zeigt die gemessenen Verschiebedrücke für Titandioxid-Pfropfen im Rohr mit 80 mm Durchmesser. Daraus geht hervor, daß man z. B. einen solchen zuvor mit 4 bar verdichteten Pfropfen bei einer Druckdifferenz von 3 bar am Pfropfen nur verschieben kann, wenn er nicht länger als 0,7 m ist. Um nun in einer Anlage mit diesen Werten eine Verstopfung bei allen Betriebszuständen z.u vermeiden, wäre die Anlage so zu bauen, daß bei Bedarf alle 0,7 m längs der Förderleitung Luft eingeblasen werden kann. Steht dieser Druck an einem nicht zuvor verdichteten Pfropfen an, darf dieser auch nicht länger als 1,2 m sein. Verdichtungsdruck 4bar

2bar

1 bar Bild 5.15 Verschiebedrücke der SchüttgutStopfen nach W. K R A M B R O C K [5.16] in Abhängigkeit von der Stopfenlänge und vom Verdichtungsdruck für das Schüttgut Titandioxid, Typ Kronos AD mit