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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sieben, Klassieren, Filtern oder Sortieren trockener fester Stoffe oder fester Stoffe in Flüssigkeiten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und Anspruchs 25 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 26.
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Es ist bekannt, dass durch die Anregung des Siebgutes von Siebmaschinen mittels Ultraschallwellen der Durchsatz und die Qualität des Siebgutes erheblich verbessert werden kann. Die Ultraschallschwingungen reduzieren den Widerstand zwischen dem Siebgewebe und dem Korn, da die Haftreibung durch die Bewegung der Maschendrähte mit Ultraschallfrequenz und einer Schwingungsamplitude im Bereich einiger μm in Gleitreibung überführt wird. Dadurch reduziert sich die Reibung und der Durchsatz steigt. Weiterhin erfährt das Korn in Abhängigkeit von der Frequenz und Amplitude der schwingenden Drähte eine Beschleunigungskraft, die vorhandene Pulverbrücken aufbricht und die Bildung neuer Pulverbrücken verhindert, und das Auflockern des Pulvers erhöht dessen Fliessfähigkeit. Bei Verwendung einer zu großen Schwingungsamplitude kann es aber auch zu einer Aufwirbelung des Pulvers kommen, die den Durchfluss behindert. Daher ist eine gleichmäßige und kontrollierte Amplitudenverteilung über dem gesamten Siebraum wichtig, um zu einem optimierten Durchsatz zu gelangen.
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Es sind mehrere Vorgehensweisen bekannt, eine Siebvorrichtung mittels Ultraschall in Schwingungen zu versetzen:
Einerseits lässt sich mittels eines Ultraschallkonverters ein auf die Resonanz dieses Ultraschallwandlers abgestimmter, an der Siebfläche anliegender Schallleiter als Resonator in Schwingung versetzen, wie in der
DE 4 418 175 A1 beschrieben. Diese Ausführungsform erweist sich in der Praxis insofern als nachteilig, als der Konverter bei Anordnung im Pulverfluss oft durch lokale Erwärmung ein Zusammenbacken oder Verkleben des Pulvers hervorruft. Darüber hinaus ist die Abstimmung des Resonators mit hohem Aufwand verbunden und praktisch nur für wenige einfache Resonatorgeometrien realisierbar, wenn eine Fertigung in Serie angestrebt wird. Eine gleichmäßige Verteilung der Schallanregung auf dem Siebgewebe kann daher bei diesem Vorgehen nur schwer sichergestellt werden.
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Andererseits kann man auch den Rahmen außerhalb einer Resonanz zu Schwingungen anregen, wie in der
US 5 386 169 A beschrieben, indem der nicht abgestimmte Rahmen in Schwingungsbäuchen eines auf die Konverterfrequenz abgestimmten Zuführungsresonators mit diesem verbunden wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der Konverter aus dem Pulverfluss entfernt wird. Als nachteilig erweist sich dabei aber, dass bei dieser Vorgehensweise die Siebgeometrie eingeschränkt wird. Einerseits wird durch die Dämpfung der Schwingungen entlang der Drähte des Siebes in der Praxis die effektiv verwendbare Siebgröße begrenzt, andererseits gibt die Lage der Schwingungsbäuche auf dem Zuführungsresonator eine Ausdehnung des Siebes vor, da dort die Kontaktstellen mit dem Siebrahmen angeordnet sein müssen. Auch diese Methode führt also nicht zu einer optimierten Verteilung der Schallanregung auf dem gesamten Siebgewebe.
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Bei beiden Verfahren erweist es sich neben der jeweiligen empfindlichen Einschränkung der verwendbaren Geometrien der Anordnung auch noch als nachteilig, dass entweder nur die Siebfläche oder nur der Siebrahmen in Schwingungen versetzt wird. Dies kann zu einem über die Siebfläche stark inhomogenen Schwingungsverhalten führen, das die effektive Durchsatzfläche reduziert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sieben, Klassieren, Filtern oder Sortieren trockener fester Stoffe oder fester Stoffe in Flüssigkeiten zu entwickeln, bei denen die Vorteile der vorstehend beschriebenen Ansätze auf eine effiziente und kostengünstige Weise vereint werden und zugleich eine Optimierung der Verteilung der Schallamplitude über das gesamte Siebgewebe ermöglicht wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 25 sowie eine Verwendung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 26.
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Die durch einen Ultraschallkonverter erzeugte Schwingung wird dabei vom angeregten Schallleiter oder Siebrahmen mittels Verbindungselementen auf den nicht direkt vom Ultraschallkonverter angeregten Siebrahmen oder Schalleiter übertragen. Die Anregungsform entspricht dabei der erzwungenen Schwingung eines harmonischen Oszillators mit einer Kraftamplitude F
0. Die allgemeine Lösung der zugehörigen Differentialgleichung für ein System mit Masse M, Eigenfrequenz ω
0 und Dämpfungskonstante Γ hat die Gestalt
X(t) = Asin(ωt) + Bcos(ωt) wobei die Dispersionsamplitude B darstellbar ist als:
und für das Verhältnis zwischen Dispersionsamplitude B und absorptiver Amplitude A gilt:
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Für große Frequenzabstände zwischen Eigenfrequenz des Systems und Anregungsfrequenz wird die absorptive Amplitude A vernachlässigbar, und es gilt in guter Näherung:
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Damit wird deutlich, dass bei Anregung einer Dispersionsschwingung der für die Effizienz des Siebprozesses hochrelevante Parameter Anregungsamplitude sehr gezielt kontrolliert werden kann. Dies ist aber nicht nur über einen speziellen Bereich des Siebs der Fall, denn da eine Dispersionsschwingung des Systems angeregt wird, müssen die entsprechenden Bauteile keine Resonanzbedingung mehr erfüllen, was eine Optimierung der Bauteilgeometrie im Hinblick auf die Verteilung der Schallamplitude über das Siebgewebe ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dabei der Ultraschallkonverter außerhalb des Pulverflusses angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist auch, einen Zuleitungsresonator vorzusehen, der zwischen dem Ultraschallkonverter und dem direkt angeregten Schallleiter oder Siebrahmen angeordnet ist. Dieser Zuleitungsresonator ist als gekrümmter Leitungsstab ausgeführt und wahlweise zur Anregung von Biege- oder Longitudinalschwingungen ausgelegt.
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Insbesondere ist es bei entsprechender Ausgestaltung des Zuleitungsresonators möglich, die Erregungsamplitude im Hinblick auf die verwendete Sieb- und Schallleitergeometrie sowie die zu verwendenden Pulversorten zu optimieren.
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Weiterhin kann es gerade bei ausgedehnten Schallleitern von Nutzen sein, den Schallleiter an mehr als einer Stelle anzuregen und somit mehrere Zuleitungsresonatoren und Ultraschallkonverter zu verwenden, um etwaige allzu große Dämpfung zu kompensieren. Eine solche Anordnung lässt sich bei Verwendung nur eines Ultraschallgenerators sequentiell, d. h. abwechselnd betreiben. Diese Lösung ist besonders kosteneffizient, reduziert aber den Durchsatz. Verwendet man hingegen einen zweiten Ultraschallgenerator zur Anregung des zweiten Zuleitungsresonators, so ergibt sich neben einer homogeneren Schwingungsamplitude auch noch der Vorteil, dass in der Regel die Frequenzen nicht exakt abgestimmt sind und nicht identisch, sondern um typischerweise einige 100 Hz verschieden voneinander sind. Dies führt zu einer niederfrequenten Schwebung, die für bestimmte Pulversorten vorteilhaft auf das Durchflussverhalten wirkt.
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Als vorteilhaft hat sich der Einsatz von Ultraschallkonvertern mit einer Frequenz zwischen 34,5 kHz und 35,5 kHz und Schwingungsamplituden zwischen 2 μm und 4 μm erwiesen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Schallleiter als Vierkantrohr ausgeformt, da diese Form hohe Steifigkeit gegenüber senkrecht wirkenden Kräften aufweist und der kurze Schenkel des Vierkantrohres als Kontakt- oder Klebefläche zum Siebgewebe dienen kann.
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Eine andere Anordnung sieht vor, dass mehrere Schallleiter auf dem Siebgewebe angeordnet sind, die mittels Schallbrücken mit einem ersten Schallleiter, der angeregt wird, in Verbindung stehen. Auf diese Weise sind sehr homogenene Verteilungen des Schalls auf sehr großen Sieben besonders günstig zu erzielen.
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Noch andere vorteilhafte Schallleitergeometrien sind ringförmige Schallleiter, eckige Schalleiter und kreissegmentförmige Schallleiter.
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Ebenfalls vorteilhaft sind mäanderförmige lineare Schallleiter in Form von Stabresonatoren, bei denen die äußeren Flächen mit dem Siebgewebe verbunden werden. Der besondere Vorteil eines derartig ausgestalteten Schallleiters besteht darin, dass sich bei seiner Verwendung eine unsymmetrische Interferenzstruktur des Schallfeldes ergibt, die „hot spots” auf Grund von Interferenzüberhöhungen vermeidet, insbesondere gegenüber der Anregung eines runden Rahmens.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung zur optimierten Verteilung der Schallenergie über die Siebfläche besteht darin, Resonatorplatten am Schalleiter anzuschweißen, über welche dann der Kontakt zur Siebfläche hergestellt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform sind tellerförmige Resonatoren mit einem Durchmesser von 40–60 mm und einer Dicke von ca 1,5 mm, es können aber auch rechteckige oder quadratische Resonatoren verwendet werden.
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Zur Entkopplung des Siebrahmens von der Siebmaschine ist es vorteilhaft, den Siebrahmen nach außen hin mittels eines U-Profils zu umschließen und mit spitz zulaufenden Schrauben zu fixieren. Die kleine Kontaktfläche zwischen Schrauben und Siebrahmen gewährleistet eine nur geringe Schallübertragung auf das U-Profil und somit auf die Siebmaschine. Ferner limitiert sie den Energiefluss ins U-Profil und somit die Erwärmung des U-Profils.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zumindest teilweise als Schallbrücken zwischen verschiedenen Schallleitern und/oder Verbindungselemente zum Siebrahmen einzelne oder in Reihe hintereinandergeschaltete Amplitudenmodulatoren vorzusehen. Als Amplitudenmodulatoren lassen sich beispielsweise Rundstäbe verwenden, die Abschnitte mit unterschiedlichem Radius aufweisen, wobei die Länge auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallkonverters abgestimmt sein muss. Ebenso ist es möglich, rechteckige Querschnitte vorzusehen, die eine verbesserte Steifigkeit aufweisen. Sie kommen bevorzugt bei Sieben zum Einsatz, die eine hohe Steifigkeit zur Unterstützung für das aufliegende Gewicht des Pulvers benötigen.
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Dadurch ist es möglich, die Verteilung der Schallenergie über das Siebgewebe noch gezielter zu beeinflussen, da die Schwingungsamplitude einzelner Schallleiterstrukturen oder Resonatoren oder des Siebrahmens gezielt durch geeignete Radien und geeignete Hintereinanderreihung von Amplitudenmodulatoren skalierbar ist.
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Ein weiterer Vorteil ist in der höheren Steifigkeit dieser Amplitudenmodulatoren gegenüber den in der
DE 44 18 175 A1 genannten Entkopplungsblechen zu sehen, die ihre gewünschte Entkopplungswirkung durch eine Reduzierung der Steifigkeit erhalten. Die Steifigkeit der Amplitudenmodulatoren kann der Anwendung angepasst werden und wird besonders bei schweren Schüttgütern von Vorteil sein. Mit diesen Amplitudenmodulatoren können auch Querverstrebungen innerhalb des Schallleiters angebracht werden, um dem Druck des Siebgutes entgegenzuwirken. Damit kann der Hersteller z. B. auf ein zusätzliches mechanisches Stützkreuz innerhalb der Siebfläche verzichten.
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Anhand der folgenden Figuren sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail diskutiert werden. Es zeigen:
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1: eine erfindungsgemäße Anordnung mit kreisförmiger Schalleiterstruktur und gebogenem Zuleitungsresonator.
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2: eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer komplexen Schallleiterstruktur.
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3: eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der mit zwei Konvertern und zwei Zuleitungsresonatoren derselbe Schallleiter angeregt wird.
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4: eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der zwischen Schallleiter und Siebfläche zusätzlich tellerförmige Resonatoren angeordnet sind.
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5: eine nicht erfindungsgemäße Siebvorrichtung mit einem Rechteckrahmen und 7 Schallleitern, die parallel zur kurzen Seite des Rechteckrahmens angeordnet und mittels hintereinandergereihter Amplitudenmodulatoren miteinander und mit einem nicht erfindungsgemäßen Zufuhrresonator, der durch einen Ultraschallkonverter angeregt wird, verbunden sind.
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6: eine nicht erfindungsgemäße Siebvorrichtung mit zwei ringförmigen Schalleitern, die miteinander und mit dem Rahmen jeweils über unterschiedliche Aneinanderreihungen von Amplitudenmodulatoren verbunden sind.
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7: einen Ausschnitt eines Amplitudenmodulators mit rechteckiger Querschnittsform
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Anhand von 1 wird zunächst das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer beispielhaften Vorrichtung erläutert. In innigem Kontakt mit dem Siebgewebe 1, das am Siebrahmen 3 befestigt ist, befindet sich der Schallleiter 2. Mittels eines Ultraschallkonverters 4 wird ein auf die Wellenlänge der Anregungsfrequenz abgestimmter Zuleitungsresonator 6 in Schwingung versetzt, der erfindungsgemäß gebogen ausgeführt ist. Der Zuleitungsresonator 6 regt den Schallleiter 2 an, der mittels der Verbindungselemente 5 mit dem Siebrahmen 3 verbunden ist. In dieser Anordnung ist es nicht nur möglich, den Ultraschallkonverter 4 außerhalb des Pulverflusses anzuordnen, sondern es werden auch über die Verbindungselemente 5 die im Schallleiter 2 angeregten Schwingungen auf den Siebrahmen 3 übertragen. Alternativ ist auch die Erregung des Siebrahmens 3 über den Zuleitungsresonator 6 und Übertragung der Schwingungen mittels der Verbindungselemente 5 auf den Schallleiter 2 möglich.
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In beiden Fällen wird dadurch eine gleichmäßigere Verteilung des Schalls auf dem Siebgewebe erzielt. Diese kann weiter optimiert werden, da das System nicht auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt betrieben wird, wodurch die Flexibilität hinsichtlich Form und Größe bei der Ausgestaltung der unterschiedlichen Rahmen/Schallleiter erheblich erhöht wird. 2 zeigt ein Beispiel für eine solche verbesserte Anordnung, deren Analogon für den resonanten Betrieb nicht oder nur unter erheblichem Aufwand unter Einbeziehung von vier auf identische Frequenz abgestimmten Resonatoren möglich wäre. Hier sind vier ringförmige Schallleiter 2, die miteinander über Schallbrücken 7 in Verbindung stehen, über Verbindungselemente 5 mit dem Siebrahmen 3 bzw. einem Trägerkreuz 8 verbunden. Eine der Schallleiter 2 wird durch einen Ultraschallkonverter 4 nichtresonant angeregt. Die Schwingung wird über die Schallbrücken 7 auf die anderen Schallleiter 2 und über die Verbindungselemente 5 auf Siebrahmen 3 und Trägerkreuz 8 weitergeleitet.
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Insbesondere wird auch der Betrieb eckiger Schallleiterstrukturen, möglich.
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Der 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung zu entnehmen, bei der mit zwei Konvertern und zwei Zuleitungsresonatoren derselbe Schallleiter angeregt wird.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht es einerseits, bei sehr großen Schallleiterstrukturen einen starken Abfall der Erregungsamplitude über den Schallleiter zu vermeiden, während andererseits bei Anregung mit leicht unterschiedlichen Frequenzen eine niederfrequente Schwebung erzeugt werden kann, die das Durchflussverhalten mancher Pulversorten positiv beeinflusst.
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In 4 wird eine Ausführungsform vorgestellt, in der zwischen Schallleiter 2 und Siebgewebe 1 mehrere Resonatorteller 9 angebracht sind. Ihre typische Anzahl liegt zwischen 6 und 10, aber je nach Sieb- und Schallleitergeometrie kann auch eine andere Zahl von Resonatortellern 9 vorteilhaft sein. Durch diese Maßnahme wird eine zusätzliche Homogenisierung der Übertragung der Schallenergie auf das Siebgewebe erzielt.
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Die in den 5 und 6 dargestellten Anordnungen Unterfallen nicht der Erfindung, sie verdeutlichen aber Vorteile, die mit der Ausgestaltung von Schallbrücken 5 und/oder Verbindungselementen 7 in Form von Amplitudenmodulatoren 10 auch bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen einhergehen.
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In 5 wird jeder der parallel zur kurzen Seite des rechteckigen Rahmens 3 eingebauten Schallleiter 2 mit einer anderen Amplitude angeregt, wobei die Amplituden durch einen Skalierungsfaktor, der sich aus den Radiusverhältnissen der Amplitudenmodulatoren 10 ergibt, auseinander hervorgehen. Es wird dadurch über dem zur Verfügung gestellten gesamten Siebgewebe 1 eine grosse Amplitudenbandbreite bereitgestellt.
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In 6 erkennt man eine analoge Siebvorrichtung, bei der unterschiedliche Hintereinanderschaltungen von Amplitudenmodulatoren 10 zum Einsatz kommen. Angeregt wird hier zunächst über einen Zuleitungsresonator 6 ein äußerer kreisförmiger Schallleiter 2, der über zwei Amplitudenmodulatoren 10 mit einem inneren kreisförmigen Schallleiter 2 und über vier in umgekehrter Richtung angeordnete Amplitudenmodulatoren 10 mit dem Rahmen verbunden ist. Auch hier wird klar, dass es möglich ist, gezielt in bestimmten Siebregionen dem Siebgewebe 1 jeweils bestimmte Schwingungsamplituden gezielt aufzuprägen.
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7 zeigt einen Amplitudenmodulator 10 mit rechteckiger Querschnittsform, wie er speziell für Siebe zum Einsatz kommt, die große Lasten durch das Siebgut aufnehmen müssen. Die Amplitudenmodulatoren (10) übernehmen in Folge ihrer erhöhten Steifigkeit (Biegefestigkeit) einen Teil der Belastung auf das Siebgewebe.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Siebgewebe
- 2
- Schallleiter
- 3
- Siebrahmen
- 4
- Ultraschallkonverter
- 5
- Verbindungselement
- 6
- Zuleitungsresonator
- 7
- Schallbrücke
- 8
- Trägerkreuz
- 9
- Resonatorteller
- 10
- Amplitudenmodulator
