Vorrichtung zur mechanischen oder thermischen Behandlung von flüssigen, förderfähigen halbfesten und festen Stoffen
Zur mechanischen und thermischen Behandlung von zähflüssigen oder pastenartigen Massen sind Vorrichtungen bekannt, bei denen in einem langgestreck- ten Gehäuse zwei parallel angeordnete, rotierende Schneckenwellen miteinander im Eingriff stehen. Das zu behandelnde Gut wird der Vorrichtung an einem Ende aufgegeben und von den rotierenden Schnecken zum anderen Ende der Vorrichtung transportiert, wo es entnommen wird. Die Schnecken können für den Durchfluss eines Heiz-ader Kühlmediums hohl ausge- bildet und das Gehäuse mit einem Heiz-oder Kühlmantel versehen sein.
Solche Vorrichtungen können beispielsweise zum Fördern, Mischen, Kneten, Homogenisieren, Trocknen, Erhitzen und Kühlen von viskosen oder förderfähigen halbfesten und festen Stoffen verwendet werden. Je nach der Form der beiden Schneckenwellen sind dabei zwei verschiedene Bauprinzipien zu unterscheiden : selbsteinziehende Schnecken und selbstreinigende oder selbstausschälende Schnecken.
Bei den Vorrichtungen mit selbsteinziehenden Schnecken arbeiten eine linkssteigende und eine rechtssteigende Schnecke ineinander. Beide rotieren entgegengesetzt derart, dass sie im Eingriff von oben nach unten rotieren. Der Vorschub des Materials erfolgt zwischen den Schnecken. Bei der Förderung des Gutes durch die Vorrichtung umschlingen die Gutströme die beiden Schnecken in achterförmigen Bahnen. Vorrich- tungen mit selbsteinziehenden Schnecken weisen einen guten Einzug und eine gute Durchmischung des zu behandelnden Gutes auf. Da sich die Gewinde der Schnecken gegenseitig nicht berühren, erfolgt keine gegenseitige Reinigung der Schnecken. Selbsteinziehende Schnecken neigen daher, je nach Beschaffenheit des Gutes, zu Verklebungen und Verkrustungen.
Der an den Schneckenwellen festklebende Anteil des zu behandelnden Gutes nimmt an der Durchmischung nicht teil und wird, falls die Schnecken beheizt werden, überhitzt oder iibertrocknet. Wegen der Gutansätze wird das Produkt ungleich-massig behandelt. Wenn die Vorrichtung als Wärmeaustauscher arbeitet, wird der Wär- meaustausch durch die an den Schnecken festsitzenden Anteile des Produktes herabgesetzt.
Bei Vorrichtungen mit selbstreinigenden Schnecken rotieren zwei linkssteigende oder zwei rechtssteigende Schnecken in gleicher Richtung. Die miteinander in der gesamten Gewindetiefe im Eingriff stehenden Schnekken reinigen sich gegenseitig. Zwischen den Schnecken kann jedoch kein Gut durchtreten. Der Vorschub des zu behandelnden Gutes erfolgt nur zwischen der Gehäusewand und den beiden Schnecken. Deshalb ist die Misch-und Einzugswirkung einer Vorrichtung mit selbstreinigenden Schnecken gering. Nachteilig ist aus- serdem, dass selbstreinigende Schnecken besonders schwierig herzustellende Profile erfordern.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur mechanischen oder thermischen Behandlung von flüssigen, förderfähigen halbfesten und festen Stoffen in einem Gehäuse mit einem Produkteinlass an einem Ende und einem Produktauslass am anderen Ende, in dem parallel zueinander eine rechtssteigende und eine linkssteigende Schnecke gegenseitig rotieren und mindestens teilweise miteinander im Eingriff stehen.
Die Vorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit min destens einer Schnecke während der Rotation der Schnecken veränderbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung mit der Kennzeichnung, dass für das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit Wq der Schnecke Q mit q Gängen zu der Winkelgeschwindigkeit Wp der Schnecke P mit p Gängen zeitweise gilt :
Wq p
Wp q und zeitweise :
W, p
Wpq
Die erfindungsgemässe Vorrichtung vereinigt die Vorteile der selbsteinziehenden Schnecken mit denen der selbstreinigenden Schnecken, ohne ihre Nachteile zu besitzen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung erzielt eine gute Mischwirkung, ohne dass es zu Ansätzen an den Schnecken kommen kann, da sich die Schnecken selbst frei schaben. Komplizierte Profile der Schnecken sind dabei nicht erforderlich.
Die schematischen Fig. I bis 3 dienen zur Erläute- rung des Erfindungsprinzips.
Fig. I zeigt beispielsweise den Horizontalquerschnitt durch zwei Schneckenwellen einer selbsteinziehenden Fördervorrichtung. Gehäuse, Lager und Antrieb sind in der Figur nicht dargestellt. Die linke Schnecke 1 der Figur besteht aus der Schneckenwelle 2 und dem auf der Schneckenwelle befestigten Schnekkengang 3. Die Schnecke 1 ist rechtssteigend eingängig und rotiert wie in der Figur angedeutet im Uhrzeigersinn. Die rechte Schnecke 4 ist linkssteigend eingängig und rotiert im Gegenuhrzeigersinn. Die Schnecke 4 wird von der Schneckenwelle 5 und dem Schneckengang 6 gebildet. Das Schneckenprofil der beiden spiegelbildlichen Schnecken ist ein Dreieck.
Der Abstand A der Gewindekämme einer Steigung ist grösser als die auf der Schneckenwelle aufsitzende Basisseite B des Dreieckprofils. Ist diese Bedingung gültig, dann haben zwei benachbarte Gewindeflanken einer Steigung, gemessen auf der Welle, einen Abstand C, der grösser als Null ist. Beide Schnecken stehen in ihrer ganzen Gewindetiefe im Eingriff. Die Schneckengänge 3 und 6 haben jeweils zwei freiliegende Gewindeflanken, die in dieser Beschreibung als vordere und hintere Gewindeflanken bezeichnet sind. Die vorderen Gewindeflanken sind mit 3a bzw. 6a und die hinteren Gewindeflanken mit 3 b bzw. 6 b beziffert. Bei den in der Figur eingezeichneten Drehrichtungen-im Eingriff von oben nach unten-fördern die Schnecken das Gut von dem in der Figur oberen Ende zum unteren Ende.
Wenn beide Schnecken mit der gleichen konstanten Winkelgeschwindigkeit drehen, ergibt sich nach jeder Umdrehung der Schnecken um 360 wieder derselbe Längsschnitt wie in Fig. 1. Diese Stellung wird in dieser Beschreibung Mittelstellung genannt, weil jeder Gewindekamm, der mit dem Gewinde der anderen Schnecke im Eingriff steht, den Abstand C auf der anderen Schneckenwelle halbiert.
Wenn dagegen die Winkelgeschwindigkeit bzw.
Umdrehungszahl der rechten Schnecke 4 gegenüber der sich mit konstanter Geschwindigkeit weiterdrehenden linken Schnecke 1 in ausreichendem Masse vermindert wird, dann ergibt sich nach einer Drehung der linken Schnecke um 360 der in Fig. 2 dargestellte Horizontallängsschnitt durch die beiden Schnecken.
Diese Stellung wird nachfolgend als hintere Endstellung bezeichnet. Wenn die beiden Schnecken in dieser hinteren Endstellung mit ihrem entgegengesetzten Drehsinn und wieder gleicher Winkelgeschwindigkeit drehen, wozu die rechte Schnecke 4 wieder auf die Winkelgeschwindigkeit der linken Schnecke 1 beschleunigt wird, dann gleitet die Gewindeflanke 6b der Schnecke 4 auf der Gewindeflanke 3a der anderen Schnecke 1. Bei der gegenseitigen Annäherung der beiden Gewindeflanken 6b und 3a wird das auf den beiden Gewindeflanken 6b und 3a festgebackene Gut abgeschabt.
Damit auch die beiden anderen Gewindeflanken (3b und 6a) der Schnecken in Berührung kommen, die sich bei der Annäherung in die hintere Endstellung nicht reinigen, wird die Winkelgeschwindigkeit der rechten Schnecke 4 gegenüber der Winkelgeschwindigkeit der linken Schnecke 1 beschleunigt, bis die Schnecken in der vorderen Endstellung der Fig. 3 zueinander stehen. Ist diese vordere Endstellung erreicht, dann wird die Umdrehungszahl der rechten Schnecke 4 soweit vermindert, dass sich die beiden Schnecken wieder mit gleicher Winkelgeschwindigkeit drehen. Die Gewindeflanken 3b und 6a, die in der hinteren Endstellung nicht gereinigt werden, gleiten dann aufeinander. Bei der Annäherung der Gewindeflanken 3b und 6a in die vordere Endstellung wird das auf diesen beiden Gewindeflanken festsitzende Gut abgeschabt.
Die gegenseitige Reinigung der Schneckenprofile erfolgt also dadurch, dass sich die Schnecken zeitweilig mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten solange drehen, bis die vordere oder hintere Endstellung erreicht ist. Bei der Annäherung an eine dieser Endstellungen wird auf jeder Schnecke je eine Profilflanke gereinigt. Bei der Annäherung an die andere Endstellung werden die beiden anderen Gewindeflanken gereinigt, weil das auf den Gewindeflanken festsitzende Produkt bei der gegenseitigen Annäherung der Gewindeflanken abgeschabt wird.
Wenn die Gewindeprofile in der gesamten Gewindetiefe ineinandergreifen-wie beispielsweise in den Fig. 1 bis 3 dargestellt-, werden bei der Drehung der Schnecken von einer Endstellung in die andere Endstellung auch jede der beiden Schnekkenwellen von dem Gewindekamm der anderen Schnecke von Produktansätzen freigeschabt.
Die Anderungen der Winkelgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl einer Schnecke oder der Winkelgeschwindigkeiten beider Schnecken relativ zueinander gibt also die Möglichkeit, die Stellung der beiden Schnecken zueinander so zu verändern, bis sich benachbarte Gewindeflanken (3a und 6b oder 3b und 6a) berühren.
Dies ist in zwei Extremstellungen, der hinteren und vorderen Endstellung, der Fall. Rotieren die beiden Schnecken mit gleicher Winkelgeschwindigkeit, dann behalten sie ihre augenblickliche Stellung zueinander bei. Die beschriebene Anderung der Stellung der Schnecken zueinander erfordert keine Längsverschiebung einer Schneckenwelle. Die Schnecken können daher in normalen Lagern gelagert werden.
Um die Stellung der beiden Schnecken zueinander zu verändern, können die Drehgeschwindigkeiten beider Schnecken geändert werden. Zweckmässigerweise wird jedoch-wie vorstehend erläutert-eine Schnecke mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetrieben und nur die Winkelgeschwindigkeit der anderen Schnecke beschleunigt oder verzögert, wenn die Stellung der Schnecken zueinander geändert werden soll. Die Beschleunigung oder Verzögerung der Winkelgeschwindigkeit dieser Schnecke kann in einfacher Weise durch ein Summierungs-Differential-Getriebe erfolgen. Ein solches Getriebe ist in Fig. 4 beispielsweise und schematisch im Horizontalschnitt dargestellt. Das Getriebe ist in dem allseitig geschlossenen Gehäuse 10 untergebracht, in dem die Lager 11a und 11b sowie 12a und 12b in den Lageransätzen 13 und 14 des Gehäuses 10 befestigt sind.
In den Lagern 12a und 12b ist die Welle 15 und in den Lagern 11a und 11b die Welle 16 gelagert. Die Welle 15 wird mit konstanter Winkelgeschwin digkeit angetrieben. Auf der Welle 15 ist ein Zahnrad 17 angeordnet, das in ein anderes Zahnrad 18 eingreift. Die beiden Zahnräder 17 und 18 haben gleich viel Zähne. Das Zahnrad 18 ist auf der Welle 19 befestigt, die in den Lagern 20a und 20b in dem Zahnrad 21 gelagert ist. Das Zahnrad 21 ist seinerseits in den Lagern 22a und 22b gelagert, die auf dem Ansatz 14 des Gehäuses 10 aufsitzen. Die Welle 19 ist über die beiden Gelenkkupplungen 23a und 23b und der Gelenkstange 24 mit der Welle 16 verbunden. Auf dem Gehäuse 10 ist noch der Elektromotor 25 befestigt, dessen Drehrichtung umgekehrt und dessen Drehzahl stufenlos geändert werden kann.
Die Motorwelle 26 ragt durch eine Bohrung in das Innere des Gehäuses 10 hinein und trägt das Ritzel 27, das in das Zahnrad 21 eingreift.
Das Getriebe arbeitet folgendermassen : Es wird zunächst angenommen, dass der Motor 25 ausgeschaltet und arretiert ist, so dass sich die Welle 26 nicht drehen kann. Die Welle 15, die von einem in Fig. 4 nicht dargestellten Motor oder Zahnradgetriebe mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird, treibt über die Zahnräder 17 und 18 die Welle 19 an, die ihrerseits über die Kupplungen 23a, 23b und die Stange 24 mit der Welle 16 6 gekuppelt ist. Die Welle 16 dreht sich daher in entgegengesetzter Richtung, aber mit derselben konstanten Winkelgeschwindigkeit wie die Welle 15. Wenn nun der Motor 25 eingeschaltet wird, dann beginnt sich auch das Zahnrad 21 zu drehen, das über das Ritzel 27 von der Motorwelle 26 angetrieben wird.
Die Welle 19 dreht sich dadurch aus der Zeichenebene heraus und erhält eine zusätzliche Drehbewegung, die sich entweder zu der bereits vorhandenen Drehbewegung der Welle 19 summiert oder subtrahiert. Bei den in Fig. 4 eingezeichneten Drehrichtungen der Welle 15-im Uhrzeigersinn-und der Motorwelle 26-ebenfalls im Uhrzeigersinn-rotiert die Welle 19, und damit auch die Welle 16, mit einer grösseren Winkelgeschwindigkeit als die Welle 15.
Wenn die Welle 15 im Uhrzeigersinn, die Motorwelle 26 dagegen im Gegenuhrzeigersinn rotieren, dann dreht sich die Welle 19 und damit auch die Welle 16 mit einer Winkelgeschwindigkeit, die kleiner ist als die Winkelgeschwindigkeit der Welle 15.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird die Schneckenwelle, deren Winkelgeschwindigkeit vergrös- sert oder verkleinert werden soll, von der Welle 16 angetrieben. Die sich mit konstanter Drehzahl drehende Welle 15 kann von der anderen, sich mit konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit drehenden Schneckenwelle über Zahnräder angetrieben werden. Eine solche Anordnung ist beispielsweise und schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Vorrichtung bei angenommenem Trogdeckel. Der untere Teil des Behälters ist mit 30 bezeichnet. In dem Behälter sind die Schnecken 31 und 32 angeordnet. Die Schnecke 31 ist linkssteigend eingängig, die Schnecke 32 ist rechtssteigend eingängig.
Die Schnecke 32 wird über das Kettenrad 33 mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben. Auf der Welle der Schnecke 32 sitzt das Zahnrad 34, das mit dem Zahnrad 35 auf der Welle 15 des Summierungs-Differential Getriebes 10 im Eingriff steht. Die Welle 15 wird von dem Zahnrad 34 über das Zahnrad 35 angetrieben und dreht sich daher mit derselben Winkelgeschwindigkeit, aber im entgegengesetzten Drehsinn wie die Schnecke 32. Bei dem in Fig. 5 beispielsweise schematisch dargestellten Summierungs-Differential-Getriebe 10 drehen sich im Gegensatz zu dem Summierungs Differential-Getriebe der Fig. 4, die An-und Abtriebswellen in derselben Richtung.
Wenn der Hilfsmotor 25 am Summierungs-Differential-Getriebe 10 ausgeschaltet und im Stillstand arretiert ist, behalten die Schnekken 31 und 32 ihre Stellung zueinander bei der Rotation bei, d. h. die Abstände zwischen den Gewindeflanken der einen Schnecke zu den Gewindeflanken der anderen Schnecke bleiben konstant. Sobald der Hilfsmotor 25 eingeschaltet wird, nähern sich die Gewindeflanken der einen Schnecke denen der anderen Schnekke. Dies geschieht umso rascher, je grösser die Drehzahl des Hilfsmotors 25 ist. Ist eine Endstellung der Schnecken erreicht, dann wird der Hilfsmotor 25 abgeschaltet und arretiert. Die Schnecken 31 und 32 ro- tieren dann in der einen Endstellung solange weiter, bis der Hilfsmotor mit entgegengesetztem Drehsinn eingeschaltet wird.
Die sich berührenden Gewindeflanken der beiden Schnecken entfernen sich dann voneinander, bis sich in der anderen Endstellung die beiden anderen Gewindeflanken der Schnecken berühren. Die Schnecke 31 dreht sich-von der Getriebeseite her gesehen-im Uhrzeigersinn. Die Schnecke 32 dreht sich-von der Getriebeseite her gesehen-im Gegenuhrzeigersinn. Die Schnecken drehen sich somit im Eingriff von oben nach unten. Bei diesen Drehrichtungen der beiden Schnecken wird das zu behandelnde Produkt am rechten Ende des Apparates von oben durch einen Produkteinlass aufgegeben, von wo es nach links gefördert wird und am linken Ende des Apparates nach unten durch einen Produktauslass entnommen wird.
Die Schnecken und das Gehäuse können in be kannter Weise für den Durchfluss eines Wärmeaustauschmediums hohl ausgebildet werden. Dabei wird das Wärmeaustauschmedium durch die hohle Schneckenwelle zugeführt und durch den hohlen Schneckengang abgeführt oder umgekehrt.
Die Schneckengewinde können auch andere Profile besitzen, ausser dem Dreieckprofil beispielsweise Rechteck-, Trapez-oder Sägezahnprofil. Benachbarte Gewindeflanken der beiden Schnecken müssen in der Mittelstellung einen gewissen endlichen Abstand voneinander haben, weil sonst eine Anderung der Stellung der Schnecken zueinander nicht möglich ist. Ein Schneckenprofil, dessen Profilflanken die Schenkel eines gleichschenkligen oder gleichseitigen Dreiecks bilden, ist in vielen Fällen günstig. Ein solches Profil ist mit einem geringen Aufwand zu fertigen.
Es ist vorteilhaft, wenn die Gewinde der Schnecken in der vollen Gewindetiefe im Eingriff stehen, weil dann auch die Wellen der Schnecken beim Wechsel der Schnecken von einer Endstellung in die andere freigeschabt werden.
Wenn der Wechsel der beiden Schnecken von einer Endstellung in die andere sehr rasch erfolgt, bedingt durch eine hohe Antriebsgeschwindigkeit des Hilfsmotors 25, dann wird auf das Gut zwischen den Schnekken eine Knet-oder Presswirkung ausgeübt. Dies kann in manchen Fällen erwünscht sein. Man lässt dann die Schnecken zwischen den Endstellungen rasch hin-und herwechseln. In anderen Fällen gilt es, im Hinblick auf die Eigenschaften des zu behandelnden Gutes eine Presswirkung zu vermeiden. Dann lässt man die beiden Schnecken möglichst in Mittelstellung rotieren und ändert die Umdrehungsgeschwindigkeit der einen Schnecke nur geringfügig, um sie langsam zum Zwecke der Reinigung in eine Endstellung zu bringen.
In manchen Fällen kann es zweckmässig sein, die Annäherung der Schnecken in eine Endstellung zu ver zögern, sobald die auf den sich nähernden Gewindeflanken der Schnecken festsitzenden Produktschichten in Berührung kommen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Ansätze auf den Gewindeflanken ganz allmählich abgeschliffen und nicht in grossen Schollen Iosgebrochen werden.
Die verschiedenen Betriebsweisen der erfindungsge mässen Vorrichtungen lassen sich in einfacher Weise durch das Summierungs-Differential-Getriebe erreichen, indem der Hilfsmotor 25-gegebenenfalls automatisch-ein-oder ausgeschaltet oder seine Drehzahl geändert wird.
Es können auch zwei-oder mehrgängige, verschieden steigende und gegenläufig drehende Schnecken miteinander kombiniert werden, also z. B. eine rechtssteigende zweigängige mit einer linkssteigenden zweigängigen Schnecke. Eine besonders gute Reinigung der Gewindeflanken erhält man, wenn in einer erfindungsgemässen Vorrichtung verschieden steigende, gegenläu- fig rotierende Schnecken verschiedener Gängigkeit kombiniert werden, also z. B. eine linkssteigende eingängige Schnecke mit einer rechtssteigenden zweigängi- gen Schnecke. Es ist aber z. B. auch möglich, die rechtssteigende zweigängige Schnecke mit einer linkssteigenden drei-oder viergängigen Schnecke zu kombinieren.
Durch die Kombination von Schnecken verschiedener Gängigkeit wird eine besonders gute Reinigung der Gewindeflanken dadurch bewirkt, dass die in den Endstellungen linear sich berührenden Gewindeflanken bei der Rotation in keinem Punkt aufeinander abrollen.
Schnecken gleicher Gängigkeit verändern in einer erfindungsgemässen Vorrichtung ihre Stellung zueinander nicht, wenn sie-wie bereits erwähnt-mit gleicher Winkelgeschwindigkeit rotieren. Sind zwei Schnecken Q und P verschiedener Gängigkeit in einer erfindungsgemässen Vorrichtung miteinander kombiniert und bezeichnet q die Zahl der Gänge der Schnekke Q, p die Zahl der anderen Schnecke P und Wq die Winkelgeschwindigkeit der Schnecke Q, Wp die Winkelgeschwindigkeit der Schnecke P, dann verändern die Schnecken ihre Stellung zueinander bei der Rotation dann nicht, wenn zwischen den beiden Winkelgeschwindigkeiten der Schnecken P und Q folgende Beziehung besteht :
Wp q Wq P
Bezüglich der Drehzahlen np und nq der Schnekken P und Q gilt : np Wp q nq Wq p d. h., wenn sich die Drehzahlen bzw. Winkelgeschwindigkeiten der Schnecken umgekehrt wie die Zahl der Gänge der Schnecken verhalten, dann bleibt die Stellung der beiden Schnecken bei der Drehung konstant.
Wird die Drehzahl einer oder beider Schnecken geän- dert, so dass also gilt : - nu Wq p dann ändert sich die Stellung der Schnecken zueinander und die Gewindeflanken nahern sich einander, bis die vordere oder hintere Endstellung erreicht ist. Wenn sich dann zwei Gewindeflanken der Schnecken berüh- ren, lÅasst man die Schnecken wieder mit solchen Win kelgeschwindigkeiten weiterrotieren, dass wieder gilt :
Wq P Wp q d. h., dass dann die Schnecken ihre Stellung zueinander nicht ändern.