Zur
Erfassung des Massenstromes dient je Verfahrensschritt eine als
Wägevorrichtung
ausgebildete Messstrecke mit einem oder mehreren Gewichtsaufnehmern,
die durch elastische Verbindungselemente vom stationären Gehäuse der
Vorrichtung entkoppelt ist und nach dem Stand der Technik so gelagert
ist, dass nur Vertikalkräfte
in das Messelement eingeleitet werden. Der damit ermittelte Gewichtswert
ergibt mit der im Rechner ausgewerteten Fördergeschwindigkeit den momentanen
Massenstrom. Als Vorrichtung zur Behandlung von Schlamm, Filterkuchen
und Schüttgütern dienen
vorzugsweise Förderschnecken
und Trogkettenförderer.
Diese Fördervorrichtungen
zeichnen sich durch den Vorteil aus, dass das Förderelement, welches das zu
behandelnde Gut über
die Messstrecke bewegt, nämlich
die Schneckenwelle mit Schneckenflügeln einerseits und die Förderkette
mit Mitnehmern andererseits, außerhalb
der Messstrecken im statischen Gehäuse des Förderers gelagert ist und so
den Gewichtswert des Messaufnehmers nicht beeinflusst. Die Geometrie
von Förderschnecken
kann außerdem
dem jeweiligen verfahrenstechnischen Schritt angepasst werden.
Der
Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß durch das geringe Taragewicht
der eigentlichen Wägevorrichtung
Wägezellen
mit kleinem Messbereich eingesetzt werden. Wird z.B. eine Förderschnecke
DN 200 mit ca. 3.000 mm Länge
für die
Betrachtung zu Grunde gelegt, so kann bei einseitiger Lagerung der
Vorrichtung mit einer Nennlast von ca. 250 kg gerechnet werden.
Das Nenngewicht des Fördergutes
wird bei 50% Füllungsgrad
und einem Schüttgewicht
von 600 kg/m3 ca. 25 kg betragen. Das Verhältnis von
Netto- zu Taragewicht beträgt
somit 1:10. Eine Wägezelle
mit Messbereich 300 kg ergibt bei einer Auflösung von 1:6000 Schritte von
50 g. Wird dagegen die erfindungsgemäße Messstrecke betrachtet,
so wird das Taragewicht ca. 25 kg und das Nettogewicht ca. 15 kg.
Das Verhältnis
von Netto- zu Taragewicht beträgt
somit 1:1,7. Eine Wägezelle mit
Messbereich 30 kg ergibt bei einer Auflösung von 1:6000 Schritte von
5 g. Dies erhöht
die Genauigkeit der Gewichtserfassung und ergibt damit eine hohe
Kurzzeitgenauigkeit des momentanen Massenstromes. Damit lassen sich
Durchsatzleistungen mit hoher Genauigkeit regeln und sowohl thermische
als auch chemische Prozesse optimieren.
Herkömmliche
Schneckenwaagen können
nicht mit mehreren Messstrecken hintereinander ausgerüstet werden.
Dies beschränkt
solche Vorrichtungen auf die Erfassung immer nur eines Massenstromes.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt darin, dass mehrere Prozessstufen in einem Apparat realisiert werden
und vor bzw. nach der Prozessstufe der Massenstrom online ermittelt
werden kann.
Es
sind zahlreiche mechanische und thermische Verfahren und Vorrichtungen
bekannt, die bei der Betrachtung zum Stand der Technik nur insofern
berücksichtigt
werden, als sie der Abgrenzung zur erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen.
Es
sind Vorrichtungen bekannt, bei denen das Aufgabegut wie z.B. dekantierter
Schlamm oder Filterkuchen in langsam rotierende und leicht geneigte
Trommeln aufgegeben wird. Bei diesen Apparaten wird das Material
nicht zwangsweise durch das Rohr gefördert, sondern wird durch die
Gravitationskraft in Verbindung mit der ständigen Rotation vom Aufgabepunkt
zum Auslauf bewegt. Die Durchlaufgeschwindigkeit und die Verweilzeit
sind in erster Linie von den Konstruktionsmerkmalen der Vorrichtung
abhängig,
aber auch von den physikalischen Eigenschaften des Fördergutes,
insbesondere von den Fließ-
und Rolleigenschaften. Die Messung des Massenstromes innerhalb der
Apparatur ist nicht möglich.
Es
sind Vorrichtungen bekannt, bei denen oben beschriebene Nachteile
dadurch beseitigt werden, dass das äußere beheizte und horizontal
angeordnete, stationäre
Gehäuse
in Trommelform ausgebildet ist und beheizt wird und innen ein beheizter
Rotor mit Scheiben oder Flügeln
zur Vergrößerung der
Heizfläche
installiert ist. Die Scheiben oder Flügel dieser sogenannten Trommeltrockner
werden schräg
angeordnet, so dass ähnlich
einer Förderschnecke
das Trockengut zwangsweise vom Aufgabepunkt zum Auslauf transportiert
wird. Die Durchlaufgeschwindigkeit und die Verweilzeit sind einerseits
durch die Konstruktionsmerkmale und andererseits durch die Drehzahl
des Rotors definiert. Die Messung des Massenstromes innerhalb der
Apparatur ist nicht möglich,
da der überwiegende
Teil des Trockengutes vom Rotor mitgenommen wird und darauf aufliegt, so
dass das Material nicht zur Gewichtserfassung beiträgt.
Weiterhin
sind Vorrichtungen bekannt, bei denen sowohl der Stator als auch
der Rotor vertikal angeordnet sind. Der Aufgabepunkt für das zu
behandelnde Gut ist unten am Stator angeordnet. An diesem Punkt wird
zusätzlich
Trocknungluft eingespeist. Der vertikale Transport des Gutes erfolgt
im unteren Bereich, der „Feuchtzone", durch den über die
gesamte Länge
der Vorrichtung als Förderschnecke
ausgebildeten Rotor. Ab erreichen der „Trockenzone" wird das Aufgabegut
rieselfähig
und der Vertikaltransport erfolgt in Form der pneumatische Förderung
mit der Trocknungsluft. Der Rotor verhindert durch langsame Rotation
das Anhaften von Fördergut
an der Innenwand des Stators. Bei diesen sogenannten Drallrohrtrocknern
sind Heiz- und Kühlzonen
vertikal übereinander
installiert. Die Messung des Massenstromes innerhalb der Apparatur
ist nicht möglich,
da der überwiegende
Teil des Trockengutes auf dem Rotor liegt oder pneumatisch gefördert wird
und nicht zur Gewichtserfassung beiträgt.
Da
für das
erfindungsgemäße Verfahren
die genaue Erfassung des momentanen Massenstromes nach jeder Prozessstufe
erforderlich ist, wird in der nachstehenden Betrachtung zum Stand
der Technik auf Vorrichtungen verwiesen, die der Abgrenzung zur
erfindungsgemäßen Vorrichtung
dienen.
Es
sind Vorrichtungen bekannt, bei denen der Massenstrom dadurch erfasst
wird, dass das Fördergut auf
einem Transportband gefördert
wird und der Gewichtswert der kompletten Fördereinrichtung mit Gewichtsaufnehmern
gemessen wird. Durch Kalibrierung wird das Eigengewicht der Vorrichtung „zu Null" gesetzt, so dass
das auf dem Band liegende Fördergut
als Gewichtswert zu Verfügung
steht. Mit der Bandgeschwindigkeit ergibt sich daraus der Durchsatz
z.B. in kg/h. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß nur ein
Meßwert
zur Verfügung
steht. Sollen in einem Prozess sowohl der Massenstrom des unbehandelten
Aufgabegutes als auch der des behandelten Gutes, z.B in einem Trocknungsprozess,
kontrolliert oder geregelt werden, so sind zwei getrennte Vorrichtungen
erforderlich. Auch können
geschlossene oder druckstoßfeste
Vorrichtungen nur unter großem
technischen Aufwand realisiert werden. Nachteilig ist weiterhin,
dass diese sogenannten Dosierbandwaagen groß und schwer bauen, so dass
das Verhältnis
von Nettogewicht zu Taragewicht ungünstig ausfällt, was die Genauigkeit des
Gewichtswertes nachteilig beeinflusst.
Es
sind weiterhin Vorrichtungen bekannt, bei denen die Durchsatzleistung
dadurch erfasst wird, dass das Fördergut
auf einem Transportband gefördert
wird und der Gewichtswert eines definierten Abschnittes des Förderbandes
gemessen wird. Dazu werden einzelne Rollen auf einem Rahmen mit
Gewichtsaufnehmer installiert. Durch Kalibrierung wird das Gewicht
des Teilstückes „zu Null" gesetzt und Eigengewicht
des Gutes ermittelt, so dass das auf dem Band liegende Fördergut
als Gewichtswert zu Verfügung
steht. Mit der Bandgeschwindigkeit ergibt sich daraus wieder der
Massenstrom. Durch eine zweite Messeinrichtung kann auch bei dieser
Vorrichtung der Massenstrom des unbehandeltes und des behandeltes
Gutes erfasst werden. Nachteilig ist der große technische Aufwand zur Realisierung
geschlossener oder druckstoßfester
Vorrichtungen. Nachteilig ist weiterhin, dass Schwingungen des Gurtes
und die unterschiedliche Gurtspannung die Genauigkeit des Gewichtswertes
negativ beeinflussen. Bei kleinen und schwankenden Leistungen führt dieses
System zu Ungenauigkeiten, da die Rückstellkräfte des Gurtes sehr groß sind.
Um
die oben beschriebenen Nachteile der Gewichtserfassung zu beseitigen,
wurden Vorrichtungen zur direkten Erfassung des Massenstromes entwickelt.
Diese „Massenstrom-Messgeräte" arbeiten nach unterschiedlichen
Messprinzipien. So sind Vorrichtungen bekannt, die auf dem Prinzip
der Impulsmessung beruhen. Das Fördergut
fällt aus
definierter Höhe
auf eine Messplatte und wird umgelenkt. Dadurch entsteht eine Kraft, die
mittels Kraftaufnehmer gemessen wird. Die Größe der Kraft ist ein Maß für den Massenstrom.
Da der „Impuls" kein direkter Gewichtswert
ist, sind aufwendige Kalibrierungen erforderlich. Derartige Vorrichtungen
haben den Nachteil, dass schwankende Fallgeschwindigkeiten durch Änderung
der Kornstruktur einerseits und schwankendes Fließverhalten
während
des Prozesses andererseits zu falschen Ergebnissen des momentanen
Massenstromes führen.
Auch sind Produktwechsel nicht ohne weiteres möglich, da für jedes Produkt eine separate
Kalibrierung im Rechner hinterlegt werden muss. Nachteilig bei dieser Vorrichtung
ist weiterhin, dass nur ein Messwert zur Verfügung steht. Sollen in einem
Prozess sowohl der Massenstrom des unbehandelten Aufgabegutes als
auch der des behandelten Gutes kontrolliert oder geregelt werden,
so sind zwei getrennte Vorrichtungen erforderlich. Nachteilig ist
der große
technische Aufwand zur Realisierung geschlossener oder druckstoßfester
Vorrichtungen
So
sind außerdem
Vorrichtungen bekannt, die auf dem Prinzip der Messung der Corioliskraft
beruhen. Das Fördergut
fällt aus
definierter Höhe
auf eine rotierende Scheibe. Das Fördergut wird einerseits umgelenkt und
anderseits radial beschleunigt. Die dabei entstehenden Trägheitskräfte werden
gemessen und nach Kalibrierung als Massenstrom zur Verfügung gestellt.
Da aus der „Corioliskraft" ein abgeleiteter
Wert für
den Massenstrom errechnet wird, sind aufwendige Kalibrierungen erforderlich,
so dass die oben aufgeführten
Nachteile für
die Erfassung des Massenstromes und die technischen Nachteile uneingeschränkt gelten.
Um
die oben beschriebenen Nachteile der Gewichtserfassung zu beseitigen,
sind weiterhin Vorrichtungen bekannt, die als Schneckenwaagen bezeichnet
werden. Bei diesem Messprinzip wird ähnlich wie bei der eingangs
beschriebenen Dosierbandwaage der Gewichtswert der Vorrichtung und
des sich in der Vorrichtung befindenden Fördergutes erfasst. Die Förderschnecke
wird an einem Ende des Schneckenrohres oder Troges, vorzugsweise
wegen des hohen Eigengewichtes auf der Antriebsseite, in vertikaler
Richtung schwenkbar gelagert und auf der gegenüber liegenden Seite in einem
Kraftaufnehmer zur Gewichtserfassung abgefangen. Durch Kalibrierung
wird das Eigengewicht der Vorrichtung „zu Null" gesetzt, so dass das in der Schnecke befindliche
Fördergut
als Gewichtswert zur Verfügung
steht. Mit der Fördergeschwindigkeit
des Aufgabegutes in axialer Richtung, die sich aus der Steigung
des Schneckengewindes und der Drehzahl der Welle in Verbindung mit
einem Korrekturfaktor ergibt, wird der Massenstrom berechnet. Nachteilig
ist, dass diese Vorrichtungen groß und schwer bauen, so dass
das Verhältnis
von Nettogewicht zu Taragewicht ungünstig ausfällt, was die Genauigkeit des
Gewichtswertes nachteilig beeinflusst. Nachteilig ist weiterhin,
dass durch Lagerung der Vorrichtung an einem Endpunkt in einem Schwenklager
immer nur die Hälfte
der Gewichtsänderung
vom Kraftaufnehmer erfasst wird. Dadurch ist dieses System mit großer Ungenauigkeit
behaftet. Außerdem
muss die Notwendigkeit von zwei getrennten Vorrichtungen zur Ermittlung
des Massenstromes des unbehandelten und des behandelten Fördergutes
als Nachteil angesehen werden.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum kontinuierlichen thermischen und/oder chemischen Behandeln von
Schlamm, Filterkuchen und Schüttgütern in
Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erfassung des momentanen Massenstromes beseitigt die oben beschriebenen
Nachteile.
In 1 ist
das Verfahren und die dazu gehörende
Vorrichtung zum kontinuierlichen thermischen und/oder chemischen
Behandeln von Schlamm, Filterkuchen und Schüttgütern anhand einer Rohrschnecke (1)
als mechanischer Fördervorrichtung
für das
zu behandelnde Gut beschrieben. Das unbehandelte Fördergut
(13) wird am Aufgabestutzen (14) zugeführt und
das behandelte Fördergut
(15) nach dem verfahrenstechnischem Prozess am Produktauslauf
(16) ausgetragen. Als Messstrecke dient mindestens ein
in der Länge
definierter Trogteil (2), der herausgetrennt und mit den übrigen,
feststehenden Teilen (1a, 1b) des Troges (1)
mit Kompensatoren (3a, 3b) elastisch verbunden
ist. Dieses Trogteil (2) ist vom eigentlichen Förderelement,
der Schneckenwelle (5) mit der Schneckenwendel (6)
sowohl kraftmäßig als
auch gewichtsmäßig entkoppelt.
Der Trogteil (2) ist in einer oder mehreren, vorzugsweise
in zwei Wägezellen
(7a, 7b) gelagert. Die Befestigung erfolgt kraftnebenschlussfrei
und beweglich mit Lenker (9, 10a, 10b, 11)
zur Aufnahme von Axial- und Querkräften nach dem Stand der Technik,
so dass nur vertikale Lasten in die Wägezellen (7a, 7b)
eingeleitet werden. Die radial angeordneten Lenker (10a, 10b)
nehmen die durch innere Reibung durch die Schneckenwendel (6)
entstehenden Radialkräfte
auf. Der axial angeordnete Lenker (11) nimmt die durch
innere Reibung durch die Schneckenwendel (6) entstehenden
Axialkräfte
auf. Die Wägezellen
(7a, 7b) erfassen das Gewicht des Fördergutes,
das sich im elastisch gelagerten Trogteil (2), der Meßstrecke
(12) mit der Länge
L, befindet. Dazu wird die Wägevorrichtung
im Leerzustand tariert. Ist die Messstrecke (12) für das unbehandelte
Fördergut
(13) direkt hinter dem Produkteinlauf (14) installiert,
werden Schwankungen des Massenstromes ohne Zeitverlust erfasst und
mittels elektronischer Steuerung, entweder durch Drehzahländerung
am Antrieb (28) oder an der Materialaufgabe (13),
ausgeregelt.
In 5 wird
die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung am Beispiel des
Trogkettenförderers im
Detail gezeigt. Aus dem Fördertrog
(30) wird vertikal ein Segment (31) der Länge L herausgetrennt
und die Endstücken
(30a) und (30b) mit Konsolen (33a, 33b)
mit der Unterkonstruktion (34) fest verbunden. Sie bilden eine
starre Einheit. Der Trogteil (31) dient als Messstrecke
(32) und wird unter Einhaltung der Trennfuge (T) mit Kompensatoren
(35) und (36) elastisch mit den Trogteilen (30a)
und (30b) verbunden. Die Wägezellen (7a, 7b)
sind auf Konsolen (37a, 37b), die jeweils fest
mit dem Unterkonstruktion (34) verbunden sind, montiert.
Die Abhängung
erfolgt kraftnebenschlussfrei und pendelnd mit den Lenkern (9).
Die axiale Entlastung erfolgt mit der ebenfalls pendelnd gelagerten
Zugstange (11). Der untere Trumm der Förderkette (38) wird
auf der Schleißschiene
(39), die einerseits fest mit dem Trogteil (30a)
und andererseits fest mit dem Trogteil (30b) verbunden
ist, gelagert. Der Spalt (s) zwischen den Mitnehmern (40)
und der Innenwand der Messstrecke (32) verhindert, dass
sich das Fördergut
verkeilt und dadurch den Gewichtswert verfälscht. Der rücklaufende,
obere Trumm der Förderkette
(41) wird, wie beispielhaft abgebildet, auf einer Schiene
(42); geführt
oder über
Rollen geleitet. Diese Rückführelemente
müssen
jeweils fest mit den Trogteilen (30a) und (30b)
verbunden sein, um Krafteinwirkungen auf die Messstrecke (32)
zu vermeiden.
6 zeigt
schematisch die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung beispielhaft
für einen Trocknungsprozess
mit Förderschnecke.
Das feuchte Aufgabegut (
45) wird mittels Schnecke (
46)
in die erste Messstrecke M1 gefördert.
Dort wird der momentane Massenstrom des feuchten Gutes ermittelt.
Danach gelangt das Aufgabegut mittels Schnecke (
46) in
die thermische Behandlungszone (
47) und wird dort getrocknet. Die
Brüden
(
48) werden abgeführt.
Das trockene Gut wird mittels Schnecke (
46) weitergefördert in
die zweite Messstrecke M2. Dort wird der momentane Durchsatz des
trocknen Gutes ermittelt. Anschließend wird das Gut (
49)
am Auslauf ausgetragen. Die Regelung des Prozesses erfolgt so, dass
der Massenstrom des trocknen Gutes (
49), gemessen in der
Messstrecke M2, als Führungsgröße dient
und konstant ausgeregelt wird, d.h. Massenstromschwankungen an der
Messstelle M2 werden durch Änderung
der Drehzahl der Schnecke (
46) ausgeglichen. Der momentane
Massenstrom des feuchten Gutes an der Messstelle M1 ändert sich
einerseits durch die Drehzahländerung
und andererseits durch Schwankungen des Feuchtigkeitsgehaltes im
Aufgabegut (
45). Das wird zur Nachführung der Heizleistung genutzt.
Im Beispiel ist schematisch dargestellt, dass die Geometrie der
Schnecke in der Prozessstufe nach dem Stand der Technik den verfahrenstechnischen
Bedingungen angepasst wird. Im Beispiel ist die Schnecke (
50)
mit einstellbaren Mischflügeln
dargestellt, um Verweilzeiten in der Trockenzone optimieren zu können.
| Sollwert
trocken, Messstelle M2 = | const.
Durchsatz trocken |
| Istwert
feucht, Messstelle M1 = | variabel |
| Regelgröße für Heizleistung
= | Differenz
des Massenstromes als Maß für Feuchtigkeitsgehalt
+ Durchsatz feucht |