CH682053A5

CH682053A5 -

Info

Publication number: CH682053A5
Application number: CH391990A
Authority: CH
Inventors: Hans Andreas Weil
Original assignee: Hans Andreas Weil
Priority date: 1990-12-11
Filing date: 1990-12-11
Publication date: 1993-07-15
Also published as: BR9105336A; AU8885991A; AU648125B2; EP0490270A3; JP3308573B2; DK0490270T3; RU2072659C1; EP0490270B1; JPH04267957A; EP0490270A2; DE59104607D1

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Vollmantelzentrifuge, wie De-kanter, bei dem von sich ändernden Kräften an der Schnecke Regelsignale gewonnen und zur Nachstellung der Maschinenregelung herangezogen werden.

Vollmantelzentrifugen der hier infrage stehenden Art arbeiten beispielsweise als Dekanter in Trennprozessen für Klärung, Entwässerung, Nasskias-sierung, Fest-Flüssig-Extraktion u.dgl. Hierbei läuft in einer Aussentrommel mit geringem Spalt eine Schnecke gleichsinnig um, die durch eine geringe Drehzahldifferenz als Förderelement für den abgesetzten relativ trockenen Rückstand wirkt, wogegen die geklärte Flüssigkeit am Innenmantel der Aussentrommel gegengerichtet abströmt.

Zur Beeinflussung der Trennresultate der Zentrifuge kann die Differenz- oder Schneckendrehzahl oder die Wehrscheibenhöhe oder die Zulaufmenge geregelt werden.

Für eine solche Regelung ist bis heute das Schneckendrehmoment die wichtigste Führungs-grösse. Ein Grund hierfür liegt in der relativen Einfachheit, sich diese Information zu verschaffen, je nach Antriebssystem als elektrische oder hydrostatische Grösse. Zudem ist, bei inkompressiblen, also nicht weiter verdichtbaren Feststoffen das Drehmoment eine Aussage des Füllungsgrades der Maschine mit Feststoffen und deren Menge in der Trockenstrecke. Bei kompressiblen Feststoffen ist das Drehmoment eine Aussage, die sich einerseits aus dem Füllungsgrad und andererseits aus dem Verdichtungsgrad des Feststoffes und seiner Scherfestigkeit zusammensetzt.

In der Regel wird das Drehmoment der Schnecke als Führungsgrösse der Schneckendrehzahl eingesetzt. Der Grund hierfür liegt einerseits darin, dass die Anordnung zur Gewinnung des Drehmomentes als messbare Grösse meistens auch noch als Stellorgan der Regelung benützt werden kann, andererseits, dass die Schneckendrehzahlregelung eine Regelung ist, die die Flexibilität der Zentrifuge über ein breites Arbeitsfeld sichert bei gleichzeitiger Optimierung der trenntechnischen Resultate.

In den Randbereichen des Drehmomentes, sei es bei extrem niedrigen Drehmomenten, verursacht durch sehr fliessfähige Sedimente, oder auch bei extrem hohen Drehmomenten, verursacht durch eine hohe Verdichtung, treten bei Regelungssystemen, die das Drehmoment als Führungsgrösse haben, Schwierigkeiten auf, die das Arbeitsfeld drastisch einschränken oder sogar zum gänzlichen Versagen der Regelung führen können. Bei Anwendungen, in denen die Feststoffphase noch sehr grosse Fliesseigenschaften besitzt, ist das erfass-te Drehmoment derart niedrig, dass sein Betrag weit unterhalb des mittleren Pegels von Störgrössen liegt, die durch Reibung von einzelnen, zufällig vorhandenen, grösseren Partikeln hervorgerufen werden. Bei Anwendungen, wo der Verdichtungsgrad der Feststoffe hoch wird, versagt die vom Drehmoment abhängige Regelung als System. In der Tat ist eine solche Regelung ein Regelkreis, bei dem das

Drehmoment sowohl Ausgangsgrösse als auch Ein-gangsgrösse der Regelung ist, also ein Regelkreis mit «Feed-back», der eindeutig zur Rückkoppelung neigt. Die Eigenfrequenz eines solchen Regelkreises, welcher ins Schwingen gerät, hängt von der Zeitkonstante des Kreises ab. Bei einer vom Drehmoment abhängigen Schneckendrehzahlregelung ist die Verdichtungszeit ausschlaggebend, bei der vom Drehmoment abhängigen Zulaufregelung ist es die Sédimentations- und Verdichtungszeit. Solange, dass die Sedimente in der Speicherzone der Maschine gute Fliesseigenschaften besitzen, vermag diese Masse jede Störgrösse vom Zulauf her zu «verschlucken», d.h. also, dass überall in dieser Masse die Konzentration, die Verdichtung und die Scherrfestigkeit in zentrifugaler Richtung monoton ansteigt. Sinken aber die Fliesseigenschaften der Sedimente, was bei zunehmender Verdichtung die Regel ist, so beginnt diese Masse ein «Gedächnis» für zulaufseitige Störgrössen zu entwickeln, und die Schwingungsneigung des Regelkreises steigt. Eine Verkleinerung des Regelungsfaktors bzw. Verstärkerfaktors des Regelkreises oder der Dämpfung der Führungsgrösse schränkt das Arbeitsfeld der Regelung so sehr ein, dass letztere nicht mehr fähig ist, einen momentan grösseren Feststoffanfall zu bewältigen, und sie verfehlt somit einen ihrer wichtigsten Zwecke.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Schaffung eines Verfahrens zur Regelung einer Vollmantelzentrifuge der vorgenannten Art, welches gestattet, die vorgenannten Probleme des Standes der Technik zu überwinden und unter allen möglichen Betriebsbedingungen eine optimale Regelung zu bewerkstelligen.

Dies wird erfindungsgemäss zunächst dadurch erreicht, dass mindestens an der Schnecke auftretende Axialkräfte oder Komponenten davon gemessen und zu Rückkopplungssignalen für die Nachstellung umgeformt werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens kann dann darin gesehen werden, dass die Axialkräfte ortsweise oder sektionsweise und/oder an mehreren Stellen der Schnecke gemessen werden, wobei dann die gemessenen Axialkräfte mindestens teilweise statisch sind.

Es können aber auch die gemessenen Axialkräfte die Summe der statischen und der dynamischen Axialkräfte sein.

Ferner kann das Verfahren so ausgestaltet sein, dass die dynamischen Axialkräfte Führungsgrös-sen einer Regelung, insbesondere Schneckendrehzahlregelung sind und ferner, dass für eine Schneckendrehzahlregelung oder eine drehmomentabhängige Regelung zusätzlich das Drehmoment an der Schnecke zur Signalgewinnung herangezogen wird.

Ferner kann zusätzlich der Schneckendrehzahlregelung eine Trommeldrehzahlregelung vorgenommen werden. Zudem kann durch Regelung insbesondere Schneckendrehzahlregelung die statische axiale Schneckenlast konstant gehalten werden.

Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Zentrifuge mit einer, in einer Aussentrommel mit geringem Spalt gleichsinnig umlaufenden Schnecke mit

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zugehörigem Antriebssystem zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Diese Zentrifuge zeichnet sich dann erfindungs-gemäss aus durch ortsweise oder sektorenweise einfach oder mehrfach im Bereich der Schnecke angeordnete Kraftmessanordnungen zur Erzeugung von Ausgangssignalen als ein Mass der an der Schnecke auftretenden Axialkräfte oder Komponenten davon, welche Ausgangssignale zur Erzeugung von Regelsignalen für den Antrieb an einer Wandler- und Verstärkerstufe anliegen.

Hierbei kann die Zentrifuge dann so ausgestaltet sein, dass die Kraftmessanordnungen elektronische oder hydrostatische Sensoren resp. Axiallager mit Axialkraftsensoren resp. Druckmesser an hydrostatischen Axiallagem umfassen.

Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung, teilweise im Schnitt, eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vollmantelzentrifuge;

Fig. 2 und 3 Veranschaulichungen der hier infra-ge stehenden Axialkräfte an der Schnecke der Zentrifuge gemäss Fig. 1 ;

Fig. 4 und 5 schematisch angedeutete Mess-Stellen zur Gewinnung der Axialkräfte für die erfin-dungsgemässe Regelung; und

Fig. 6 und 7 schematisch angedeutet der Aufbau der statischen resp. dynamischen Axialkräfte am Schneckenwendel gemäss Fig. 2 und 3.

Der Dekanter gemäss Fig. 1 umfasst eine sich kegelförmig verjüngende Aussentrommel 1, in der mit geringem Spalt eine Schnecke 2 gleichsinnig umläuft. Vorzugsweise umfasst dabei die Aussentrommel 1 einen ausgeprägten zylindrischen Teil zur Erhöhung der Verweilzeit, wogegen der kegelige Teil den Rückstand weitgehend trocken schleudert.

Die Schnecke 2 wirkt hierbei durch eine geringe Drehzahldifferenz von beispielsweise 2 bis 70 U/Min. als Förderelement für den abgesetzten relativ trockenen Rückstand. Beispielsweise kann die Aussentrommel mit 1410 U/Min. und die Schnecke mit 1370 U/Min. umlaufen, welcher Antrieb über Antriebsmaschine 3 und Getriebe 4 erfolgt.

Die Suspension wird durch die Hohlwelle 5 der Schnecke 2 etwa der Mitte des Trommelraumes 6 zugeführt, wofür sich im Mantel der Hohlwelle 5 der Schnecke 2 radiale Öffnungen 7 befinden.

Die geklärte Flüssigkeit fliesst unter Wirkung der zentrifugalen Trennung zum weiteren Trommelraum und strömt dort über Überlaufkanten 9 auf der Höhe der Teichoberfläche 10 durch stirnseitige Öffnungen 11 ab.

Die Schnecke 2 hingegen fördert den im Mittelteil der Aussentrommel 1 abgesetzten Rückstand zum engen Kegelende und wirft diesen dort weitgehend trockengeschleudert durch Öffnungen 8 aus.

Zur Beeinflussung der Trennresultate der Zentrifuge wird die Differenz- oder Schneckendrehzahl durch Ansteuern der Antriebsmaschine 3 und/oder Getriebe 4 geregelt.

Soweit sind Vollmantelzentrifugen der hier infra-gestehenden Art bekannt.

Erfindungswesentlich ist hier, dass mindestens an der Schnecke auftretende Axialkräfte oder Komponenten davon gemessen und zu Rückkopplungssignalen für mindestens eine Schneckendrehzahlregelung umgeformt werden.

Solche Axialkräfte Fa resp. Komponenten können ortsweise (Fig. 2) oder sektorenweise (Fig. 3) mittels Kraftmessanordnung 12 am Wendel 2' der Schnecke 2 gemessen werden, wobei dann das Ausgangssignal 13 der Kraftmessanordnung 12 über eine Wandler- und Verstärkerstufe 14 das Rück-kopplungs- resp. Regelsignal 15 für die Antriebsmaschine 3 liefert, wie das in Fig. 4 schematisch angedeutet ist.

Wie Fig. 5 zeigt, können die angreifenden Axialkräfte Fa1, Fa2 auch an mehreren Stellen der Schnecke 2 gemessen und die Messwerte über Kraftmessanordnungen 121,122 als Ausgangssignale 131,132 gewonnen werden.

Besonders interessant sind die Axialkräfte Fa am Schneckenwendel 2' im konischen Teil der Zentrifuge (Fig. 4).

Fig. 6 zeigt die axialen Druckkräfte an einem Schneckenwendel 2' im konischen Teil der Zentrifuge bei stillstehender Schnecke. Der Dichteunterschied zwischen Stirn- und Rückseite der Schnecke erzeugt einen Druckunterschied, der nach steigender Konzentration und nach steigendem Durchmesser wächst, wobei die resultierende Kraft Fa am Wendel 2' nochmals mit steigendem Durchmesser zunimmt. Somit kann gesagt werden, dass diese Kraft weitgehend eine Funktion der Dichte der Zone ist, welche sich im Bereich des grössten Durchmessers befindet. Diese axiale Kraft am Wendel ist die statische axiale Kraft, und diese kann nur bei stillstehender Schnecke erfasst werden.

Solche statischen Axialkräfte können etwa als Bezugssignal für die Regelung herangezogen werden.

Bei rotierender Schnecke treten dann auch Scherrungskräfte auf, die direkt proportional zur Schneckendrehzahl sind. Fig. 7 zeigt, wie sich zum statischen Druck am Wendel 2' der dynamische Druck addiert, wenn der Wendel die Sedimente in Richtung D schiebt. Dabei bildet sich frontseitig des Wendeis ein Feststoffwulst, der umso grösser wird, je dichter das Sediment und je schneller die Schneckendrehzahl ist, während der Feststoff auf der Rückseite des Wendeis ein Abhang bildet. Somit ändert die Scherrungsarbeit auch den statischen Druck, wobei die Zunahme dieses statischen Druckes schneckendrehzahlabhängig ist, und dabei in Grenzen dem dynamischen Druck zugerechnet werden darf.

Somit gibt die dynamische Axialkraft Aufschluss über die Verdichtung der Zone, die sich im Bereich des örtlichen Mantelradius befindet, wobei bei laufender Schnecke die ermittelte Axialkraft eine Addition der statischen Axialkraft und der dynamischen Axialkraft bildet. Zur Ermittlung der dynamischen Axialkraft muss die statische Axialkraft als Regelungsvorgabewert eingegeben werden, entweder

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als Erfahrungswert oder durch periodisches Messen bei stillstehender Schnecke.

Für eine Schneckendrehzahlregelung wird dann die Schneckendrehzahl proportional zur dynamischen Axialkraft an der Schnecke verstellt. Ein solches Regelungssystem erlaubt einen Feststoffaus-trag, der in der Trockenheit über einen weiten Bereich konstant ist. Dabei kann allerdings diese Regelung genau den gleichen Instabilitätserscheinungen unterworfen sein, welche auch bei der drehmomentabhängigen Regelung auftreten.

Bei einer dynamischen axialkraftabhängigen bzw. schneckendrehmomentabhängigen Regelung wird hingegen im Arbeitspunkt die Schneckendrehzahl so verstellt, dass das Verhältnis von dynamischer Axialkraft zum Drehmoment längerfristig konstant bleibt. Eine solche Regelung zwingt die Zentrifuge auch bei variablen Feststofffrachten zu geometrisch ähnlichen Feststoffverteilungen und verhindert somit Rückwirkungen in der Regelung. Eine solche Regelung erlaubt also auch bei hoher Verdichtung der Sedimente einen stabilen Lauf. Dabei kann man auch, um der Ermittlung der statischen Axialkraft an der Schnecke aus dem Wege zu gehen, die Schneckendrehzahl so verstellen, dass der Differentialquotient aus zeitlicher Änderung der gesamten Axialkraft und zeitliche Änderung des Drehmomentes längerzeitig konstant bleibt.

Der Quotient aus dynamischer Axialkraft und Drehmoment ist bei gleichbleibender Trommeldrehzahl und gleicher spezifischer Flockungsmittelbeimengung eine Feststoffkonstante und gibt Auf-schluss über deren Verdichtbarkeit bzw. «Schneckbarkeit».

Besteht ein variabler, freier Schneckenantrieb, kann zusätzlich der Schneckendrehzahlregelung eine Trommeldrehzahlregelung vorgenommen werden. Dies erlaubt, über die zusätzliche Trommeldrehzahlregelung ein konstantes Verhältnis von dynamischer Axialkraft und Drehmoment zu erzielen, um damit Schwankungen durch Änderung der Verdichtbarkeit entgegenzutreten.

Die vorbeschriebenen Massnahmen erlauben somit eine Regelung, welche eine konstante statische axiale Schneckenlast erzeugt. Ein solches Regelsystem ist sehr interessant bei sog. «schmierigen» Sedimenten, die sehr voluminös sind und nur mühsam verdichten. Solche Sedimente erzeugen sehr niedrige Drehmomente, die, wie schon erwähnt, sehr stark durch dynamische Störgrössen beeinflusst werden. Dabei erzeugt aber die statische axiale Schneckenlast, besonders wenn sie für die gesamte Schnecke erfasst wird, Kräfte, die vom Betrag her sehr gut messbar sind, und die nur von der Dichte der Zone im Bereich des Mantels im konischen Teil der Maschine abhängig sind. Damit lässt sich eine elegante und feinfühlige Dichtemessung bzw. Regelung bewerkstelligen.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich somit eine optimale Regelung der hier infrage stehenden Zentrifugen.

Hierbei ist weder die Regelschaltungsanordnung problematisch noch das Erfassen der Axialkräfte oder Komponenten davon an der Schnecke, wofür geeignete Fühler, elektronische oder hydrostatische Sensoren zur Verfügung stehen. Ebenso kann die Erfassung der abschnittweise oder gesamthaft auftretenden Axialkräfte an der Schnecke über ein oder mehrere Axiailager mit Axialkraftsensoren oder durch den benötigten Betriebsdruck von einem oder mehreren hydrostatischen Axiallagern bewerkstelligt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung einer Vollmantelzentrifuge, bei dem von sich ändernden Kräften an der Schnecke Regelsignale gewonnen und zur Nachstellung der Maschinenregelung herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an der Schnecke auftretende Axialkräfte oder Komponenten davon gemessen und zu Rückkopplungssignalen für die Nachstellung umgeformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkräfte ortsweise oder sektionsweise und/oder an mehreren Stellen der Schnecke gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Axialkräfte mindestens teilweise statisch sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Axialkräfte die Summe der statischen und der dynamischen Axialkräfte sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamischen Axialkräfte Füh-rungsgrössen einer Regelung, insbesondere Schneckendrehzahlregelung sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Schneckendrehzahlregelung oder eine drehmomentabhängige Regelung zusätzlich das Drehmoment an der Schnecke zur Signalgewinnung herangezogen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Schneckendrehzahlregelung eine Trommeldrehzahlregelung vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Regelung, insbesondere Schneckendrehzahlregelung die statische axiale Schneckenlast konstant gehalten wird.

9. Zentrifuge mit einer, in einer Aussentrommel (1) gleichsinnig umlaufenden Schnecke (2) mit zugehörigem Antriebssystem (3, 4) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ortsweise oder sektorenweise einfach oder mehrfach im Bereich der Schnecke (2) angeordnete Kraftmessanordnungen (12) zur Erzeugung von Ausgangssignalen (13) als ein Mass der an der Schnecke (2) auftretenden Axialkräfte (Fa) oder Komponenten davon, welche Ausgangssignale (13) zur Erzeugung von Regel-Rückkopplungssignalen (15) für das Antriebssystem (3,4) an einer Wandler-und Verstärkerstufe (14) anliegen.

10. Zentrifuge nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessanordnungen (12) elektronische oder hydrostatische Sensoren resp. Axiallager mit Axialkraftsensoren resp. Druckmesser an hydrostatischen Axiailagern umfassen.

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