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Die Erfindung betrifft eine Schleuse, welche einen Fluß von Gasen oder Flüssigkeiten oder Schüttgütern wie Pulver, Granulat, Regranulat oder Flakes infolge der Erdschwerkraft und/oder eines Gasdruckgradienten schaltet und zur Probenentnahme und zum Schleusen der rieselfähigen Schüttgüter aus einem Materialfluß in eine oder aus einer Prozesskammer und Rückführung der Probe in den Materialstrom im Bypass zu einem bestehenden Materialtransportfluß angeordnet ist. Die Rückführung der Probe kann auch in einen separaten Sammelbehälter erfolgen.
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Solche Schleusen werden in der Kunststoff verarbeitenden Industrie z. B. zum Beschicken von Feuchtemeßeinrichtungen für Granulat, das in Granulatförder- und Behandlungssystemen bewegt und transportiert wird und vorzugsweise zur Verarbeitung in Spritzgießmaschinen und Extrudern vorgesehen ist, benötigt.
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Die sichere Beherrschung der Granulatfeuchte gehört zu den wichtigsten Anforderungen in der Kunststoff verarbeitenden Industrie. In Abhängigkeit vom Kunststoff, der Art des Verarbeitungsverfahrens und den Qualitätsanforderungen an das Formteil bewegt sich die zulässige Verarbeitungsfeuchte im Bereich von 0,005 bis 0,1 Masse %. Das zur Verarbeitung vorgesehene Granulat wird in Trocknern, welche in zentralen Förderanlagen integriert sind, oder unmittelbar vor der Zuführung zur Verarbeitungsmaschine getrocknet. Dazu werden Trockner unterschiedlicher Bauart, wie z. B. Trockenlufttrockner oder Vakuumtrockner eingesetzt. Eine zu hohe Restfeuchte im Granulat nach dem Trocknen führt in aller Regel zu Qualitätsmängeln am Produkt, wie Schlieren oder Blasen an der Formteiloberfläche und im Extremfall zu schwerwiegenden Störungen des Verarbeitungsprozesses. Eine zu niedrige Feuchte weist auf eine Übertrocknung des Granulates hin, die mit einer thermischen Schädigung des zu verarbeitenden Kunststoffes verbunden sein kann.
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Eine Handprobennahme mit anschließender Feuchtebestimmung im Labor bietet nur begrenzte Möglichkeiten den Trocknungsprozeß zu kontrollieren und ist aufwendig und teuer. Sie erfordert unter den Bedingungen eines üblicherweise geschlossenen Granulattransportsystems, einer Vielzahl unterschiedlicher Kunststoffe und mehrerer parallel verlaufender Verarbeitungsprozesse eine entsprechende Probenahmefrequenz mit dem dazu notwendigen hohen personellen und zeitlichen Aufwand.
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Aus der betrieblichen Praxis ist bereits bekannt, dass in einem Förderstrom zwei in Reihe angeordnete Ventile oder Klappen einen Schleusenraum einschließen.
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Im Zusammenhang mit Rieselprozessen werden häufig so genannte Muffen- oder Quetschventile eingesetzt.
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Muffen- oder Quetschventile weisen ein im Wesentlichen rohrförmiges Gehäuse auf, dessen Mantel eine Zuführung für Druckluft aufweist.
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In dem Gehäuse ist eine flexible Schlauchmanschette angeordnet, wobei die beiden Enden der Schlauchmanschette zwischen der Innenwandung des Gehäuses und der Außenwandung eines Anschlußteils druckdicht festgeklemmt sind. Zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Außenwand der Schlauchmanschette wird ein Steuerraum gebildet. Dieser ist über eine Zuführung mit Druckluft beaufschlagbar, so dass die Schlauchmanschette zusammengefaltet wird und das Ventillumen quasi dicht geschlossen ist. Zum Öffnen des Muffenventils wird der Steuerraum entlüftet. Dabei gelangt die Schlauchmanschette aufgrund der integrierten Rückstellkraft, die durch den Betriebsdruck des Schüttgutes unterstützt wird, wieder in die Öffnungsposition, so dass ein voller und freier Durchgang für das Schüttgut gegeben ist.
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In der
DE 35 19 651 A1 wird eine Druckschleuse zum Ein- oder Ausschleusen von Schüttgut in einen oder aus einem Druckbehälter beschrieben, die im Wesentlichen als senkrecht angeordnetes, durchgehendes Rohr ausgebildet ist, wobei die Schleusenkammer zwischen zwei Kammertüren gebildet wird und jede Kammertür als pneumatisch oder hydraulisch betätigtes Muffenventil ausgebildet ist. Der Füllgrad der Schleusenkammer wird über die Dauer der Öffnungszeit des oberen Muffenventiles bestimmt. Nachteilig in der Funktion der Druckschleuse wirkt sich aus, dass das obere Muffenventil bei fließendem Schüttgut geschlossen werden muß und in den Falten der sich schließenden Gummimembran Schüttgutteilchen eingeschlossen werden, welche Gasbrücken bilden und damit ein dichtes Schließen und vollständiges Abdichten der Membran verhindern. Bei hohen Schüttdichten, unter den Bedingungen einer gestauten Granulatsäule, kann die Membran die Schüttgutsäule nur fixieren, aber nicht verdrängen. Die Druckschleuse kann damit auch einen Gasstrom infolge eines Druckgradienten nicht stoppen. Die Zeitsteuerung ermöglicht aufgrund der großen Fluktuation eines Rieselprozesses keine exakte volumetrische Steuerung des Rieselstromes.
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Aus der
DE 44 22 274 A1 ist eine Quetschventilanordnung für eine Pulver-Sprühbeschichtungsvorrichtung bekannt. Diese Quetschventilanordnung wird aus einem in einem Gehäuse senkrecht verlaufenden elastischen Schlauch gebildet, welcher sich durch ein oberes und unteres Quetschventil hindurch erstreckt. Die beiden Quetschventile sind in Schlauchlängsrichtung mit axialem Abstand voneinander angeordnet, so dass der zwischen ihnen liegende Schlauchabschnitt eine Schleusenkammer bildet. Zum Verschluß des Strömungsvorganges ist der elastische Schlauch vollständig oder teilweise mittels der elektromechanisch, pneumatisch oder hydraulisch beaufschlagten Quetschventile zusammenfaltbar.
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Nachteilig bei dieser Quetschventilanordnung ist, dass sie ebenfalls nur eine Schleusenkammer besitzt und damit die gleichen Nachteile der vorhergehend beschriebenen Lösung aufweist. Ein dichtes Schließen und ein vollständiges Abdichten des Quetschventils sind nicht möglich. Eine exakte volumetrische Steuerung des Rieselstromes ist ebenfalls nicht möglich, wobei die Genauigkeit einer volumetrischen Dosierung durch die flexible Schlauchform der Schleusenkammer noch verschlechtert wird.
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In der
DE 203 21 574 U1 wird eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Zuführung von Katalysatormaterial, z. B. Eisenoxid, in einen Reaktionsbehälter zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Nanofasern, Nanoröhrchen oder Nanoschuppen beschrieben. Über einen Einfülltrichter gelangt das Katalysatormaterial in einen Aufnahmebehälter, dann in einen Reduktionsbehälter und von dort weiter in einen Dosierbehälter. Der Einfülltrichter, der Aufnahmebehälter, der Reduktionsbehälter und der Dosierbehälter sind untereinander durch ein Verschlusselement wie eine Zellenradschleuse oder ein entsprechend ausgebildetes Ventil miteinander verbunden, wobei das Verschlusselement die Behälter untereinander gasdicht abschließt. Der Dosierbehälter ist am unteren Ende mit einer Dosiervorrichtung verbunden, über die das Katalysatormaterial in den Reaktor eingebracht werden kann.
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Die
DE 33 27 857 A1 beschreibt eine Aufgabevorrichtung zur schonenden, kompakten pneumatischen Förderung von Faserflocken, insbesondere Stapelfaserflocken aus Polyester, bei der die Faserflocken nur geringfügig geöffnet werden. Sie ist aus den untereinander angeordneten Baueinheiten Schneidvorrichtung, Sammelraum, Schleusenraum und die sich daran anschließende Saugförderleitung aufgebaut. Zwischen dem Sammelraum und dem Schleusenraum sowie zwischen dem Schleusenraum und der Saugförderleitung ist jeweils eine Verschlussvorrichtung in Form einer Schieberplatte oder eines Quetschventils angeordnet, die die Baueinheiten gegeneinander abschließt. Die geschnittenen und kontinuierlich anfallenden Faserflocken fallen durch die Schwerkraft direkt in den Sammelraum und werden dort angesammelt. Der kontinuierliche Fluss der Faserflocken wird hier durch den geschlossenen Schieber der ersten Verschlussvorrichtung unterbrochen. Sobald der Sammelraum mit Faserflocken gefüllt ist, wird der Schieber kurzzeitig geöffnet, wobei das im Sammelraum angehäufte Gut als zusammenhängende Masse oder Pfropfen allein durch die Schwerkraft in den Schleusenraum fällt. Nach dem Schließen der Schieberplatte unter dem Sammelraum wird die Schieberplatte der zweiten Verschlussvorrichtung unter dem Schleusenraum geöffnet und der Faserpfropfen fällt weiter durch ein Austrittsrohr in die Saugrohrleitung der Faserfördervorrichtung.
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Aus der
DE 21 43 172 B ist eine Spritzmaschine zur Verarbeitung von Spritzbeton oder Mörtel bekannt, wobei der Spritzbeton aus einem Schütttrichter in eine oben und unten durch Quetschventile begrenzte Schleusenkammer fällt. Aus der Schleusenkammer gelangt der Spritzbeton durch die sich taktweise öffnenden Quetschventile in einzelnen Chargen in einen darunter liegenden Druckbehälter mit einem umlaufenden Zellenrad. Die gefüllten Zellen werden bei der Drehung des Zellenrades nacheinander unter die Druckluftleitung und über die Bodenöffnung im Druckbehälter bewegt. Die zum Fördern des Betons bestimmte Druckluft bläst dort den Beton aus der Zelle und fördert ihn durch eine flexible Förderleitung, die in einem düsenförmigen Mundstück endet. Die Taktzeit für den von einer Steuereinheit gesteuerten Durchschleusvorgang wird in Abhängigkeit vom Verhältnis des Gesamtvolumens der Zellen des Zellerades zum Volumen der Schleusenkammer so gewählt, dass das im Zellenrad geförderte Betonvolumen dem durch die Schleusenkammer geschleusten Volumen entspricht.
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Weiterhin ist aus der
EP 1 331 183 A1 eine Pulverzuführvorrichtung für eine Pulverbeschichtungsanlage bekannt, bei der ein großes Pulvervolumen mit einer geringen Luftmenge transportiert werden kann. Das Beschichtungspulver befindet sich in einem Vorratsbehälter mit Wirbelbett und gelangt über einen Auslauf und durch ein Muffenventil in einen Zwischenspeicher, der unten durch ein Muffenventil abgeschlossen wird und das den Zwischenspeicher mit einem Pulverbehälter verbindet. Über Füllstandssensoren im Pulverbehälter wird die Höhe der Pulver-Wirbelschicht erfasst und geregelt. Die Füllstandsignale werden in einer Erfassungseinheit verarbeitet und zur Steuerung der Öffnungs- und Schließvorgänge der Muffenventile verwendet. An den Pulverbehälter ist eine Schneckentransport- und Dosiereinrichtung angeflanscht, mit der eine definierte Pulvermenge aus dem Wirbelbett entnommen wird und über eine Düse in die Transportluftleitung einfließt.
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Eine Druckschleuse für eine kontinuierlich arbeitende Braunkohlentrocknungsanlage wird in der
AT 383 751 B beschrieben. Solche Druckschleusen, die auch als Flügelzellenschleusen oder Rotationsdruckschleusen bezeichnet werden, dienen dazu, das Trockengut in einen unter Dampfdruck stehenden Autoklaven ein- bzw. auszuschleusen, wobei die Dampfverluste sowie die mechanische Belastung der Schleuse reduziert werden sollen. Der Druckabbau oder der Druckaufbau in der Flügelzellenschleuse erfolgt stufenweise und unter Rückgewinnung des im Kreislauf zwischen dem Autoklaven und der Flügelzellenschleuse geführten Dampfes. Dazu sind am Umfang der Schleuse Anschlüsse installiert, die das Flügelzellenrad bei der Rotation zum Eintrag und Austrag des Trockengutes passieren muss, wobei über Druckausgleichsleitungen der Druckausgleich in der Flügelzellenschleuse durch den im Kreislauf geführten Dampf selbst vorgenommen wird.
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Alle diese genannten Lösungen beschreiben einen entfernter liegenden Stand der Technik und sind zur Probenentnahme von Kunststoffgranulat aus einem Materialstrom und Schleusung in eine Prozesskammer unter hermetischen Bedingungen nicht geeignet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schleuse zur Probenentnahme und zum Schleusen von rieselfähigen Schüttgütern wie Pulver, Granulat oder Flakes aus einem Materialfluß in eine Prozesskammer und Rückführung der Probe in den Materialstrom zu schaffen, wobei die Schleuse im Bypass zu einem bestehenden Materialfluß angeordnet ist und die Probeentnahme ohne Gasaustausch zwischen der Umgebungsluft und der Prozesskammer durch ein quasi hermetisch abschließendes Dichtsystem und mit einem definiert einstellbarem Schleusenvolumen erfolgen soll.
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Mit der erfindungsgemäßen Schleuse müssen dabei zwei technische Probleme gelöst werden.
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Zum Ersten die Entnahme des Schüttgutes aus dem Schüttgutstrom und den quasi gasdichten Verschluß der Schleusenkammer und den Abschluß von der Umgebungsluft sowie die Durchschleusung des Schüttgutes durch die Prozesskammer und zum Zweiten den Ablauf des Schleusenzyklusses mit einem volumetrisch oder gravimetrisch reproduzierbaren Schleusenvolumen.
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Erfindungsgemäß ist die Schleuse aus mindestens drei an sich bekannten Muffenventilen und mindestens zwei Schleusenkammern aufgebaut und ist senkrecht im Schüttgutstrom angeordnet. Die Muffenventile sind senkrecht untereinander angeordnet, wobei jeweils zwei Muffenventile ein geometrisch definiertes Zwischenstück einschließen, wodurch zwischen dem ersten und zweiten Muffenventil eine obere Schleusenkammer und zwischen dem zweiten und dritten Muffenventil eine untere Schleusenkammer gebildet wird. Das obere Muffenventil ist an seiner Oberseite fest mit der Schüttguttransportleitung und an seiner Unterseite mit der oberen Schleusenkammer verbunden. An die obere Schleusenkammer schließen sich das zweite Muffenventil und die untere Schleusenkammer und daran das dritte Muffenventil an, die alle fest miteinander verbunden sind. Die Unterseite des dritten Muffenventils mündet in eine Prozesskammer, in der z. B. ein Trocknungsprozess erfolgen kann und ist fest mit ihr verbunden. Mindestens die der Prozesskammer benachbarten Schleusenkammern werden über Zuleitungen von einer Kompensationsgasdruckquelle mit einem Kompensationsgasstrom versorgt, wobei der Kompensationsgasdruck immer über dem Niveau des Prozesskammerdruckes gehalten wird. Das Kompensationsgas hat die gleiche Zusammensetzung wie das Prozessgas in der Prozesskammer. Der pneumatische Widerstand der Zuleitungen zu den Schleusenkammern muß so groß sein, dass einerseits in den Schleusenkammern bei geschlossenen Muffenventilen der Kompensationsdruck aufgebaut wird und andererseits beim Öffnen dieser Ventile nicht unnötig viel Kompensationsgas in die Umgebung verloren geht.
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Wenn dieser Verlust nicht tolerierbar ist, muß während der Öffnung der Muffenventile die Zuleitung des Kompensationsgases über ein Ventil abgeschaltet werden. Während dieser kurzzeitigen Abschaltung erfolgt allerdings keine Kompensation des Gasaustausches mit der Prozesskammer über das geschlossene Muffenventil am Ausgang der oberen Schleuse.
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Falls auch dieser Zustand nicht tolerierbar ist, muß eine Dreikammerschleuse aufgebaut werden. Die gleiche, eben beschriebene Muffenventil- und Schleusenkammeranordnung, ist am Ausgang der Prozesskammer angeordnet, wobei der Ausgang des untersten Muffenventils wieder in die Schüttguttransportleitung münden kann und mit dieser fest verbunden ist.
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Die Muffenventile werden elektromechanisch, hydraulisch, vorzugsweise pneumatisch beaufschlagt und mit an sich bekannten Steuer- und Regelelementen gesteuert und geregelt. Der Durchsatz des Schüttgutes durch die Schleuse erfolgt durch die Schwerkraft und kann durch elektromagnetische oder akustische Felder unterstützt werden.
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Die geometrisch definierten Zwischenstücke, die die Schleusenkammern bilden sind vorzugsweise als hohlzylindrische feste Körper ausgebildet und besitzen unterschiedlich große Volumina. Dabei beinhaltet die obere Schleusenkammer ein kleineres Volumen als die untere Schleusenkammer, wobei die Volumendifferenz so groß sein muß, dass ein vollständiges Entleeren der oberen Schleusenkammer und des darunter liegenden Übergangsraumes des Muffenventils in die untere Schleusenkammer erfolgen kann.
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Der Schleusenzyklus für eine Schüttgutmenge läuft in sechs Phasen ab, wobei die Muffenventile die Schaltzustände
„a – für Gas und Schüttgut offen”,
„b – für Gas offen aber für Schüttgut geschlossen” und
„c – für Gas und Schüttgut geschlossen”,
annehmen können.
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Im Schaltzustand des Muffenventils „a – für Gas und Granulat offen” liegt kein Steuerdruck an der Membran an, so dass kein Zusammendrücken und Zusammenfalten erfolgt. Das Muffenventil besitzt seine volle Durchlaßfähigkeit und kann in diesem Zustand mit Gas und/oder Schüttgut gefüllt sein.
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Im Schaltzustand „b – für Gas offen aber für Schüttgut geschlossen” liegt ein radial wirkender Steuerdruck an der Membran an. Das Lumen des Muffenventils ist unter dem Druck der auf ihm stehenden Schüttgutsäule gefüllt. Durch die Wirkung des Steuerdruckes wird die Membran zusammengefaltet, sie verdichtet das Schüttgut und bringt den Schüttgutstrom zum Stillstand. Das im Lumen des Muffenventils verdichtete Schüttgut behält aber auf Grund seiner Haufwerkstruktur dennoch einen hohen pneumatischen Leitwert für einen Gasfluß und ist also für Gas „offen”.
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Im Schaltzustand „c – für Gas und Schüttgut geschlossen” ist das Lumen des Muffenventils leer und der anliegende Steuerdruck faltet die Membran derart zusammen, dass das Lumen des Ventils vollständig verschlossen ist und sowohl ein Schüttgutstrom als auch ein Gasstrom durch das Muffenventil, bis auf einen Rest an pneumatischen Leitwert infolge von Gasbrücken in der zusammengefalteten Membran, blockiert und verhindert werden.
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Ein Schleusenzyklus läuft wie folgt ab:
In der ersten Phase eines Schleusenzyklusses befindet sich das erste Muffenventil im Schaltzustand „a” und die Schüttgutsäule steht im Lumen des ersten Muffenventils und in der oberen Schleusenkammer und übt ihren statischen Druck bis auf das zweite Muffenventil aus. Über das schüttgutgefüllte Lumen im offenen Muffenventil eins kann Kompensationsgas aus der oberen Schleusenkammer entweichen. Die Kompensationsgaszuführung soll so knapp bemessen sein, dass der Gasverlust wirtschaftlich zu verkraften ist. Wenn dies nicht zu erlauben ist, muß in dieser Phase die Verbindung zur Kompensationsgasdruckquelle mittels eines Magentventiles abgesperrt werden. Die beiden nachfolgenden Muffenventile, Muffenventil zwei und drei, befinden sich im Schaltzustand „c” und verschließen mit ihren zusammengefalteten Membranen ihre Lumen. Über eine verbliebene geringe Anzahl von Spalten in der zusammengefalteten Membran strömt aus der unteren Schleusenkammer, dem Druckgradienten folgend, ein Kompensationsgasstrom aus der Kompensationsgasdruckquelle über das Muffenventil zwei in die obere Schleusenkammer und über das Muffenventil drei in das hermetisch abzuschließende Volumen der Prozesskammer, die sich dem Muffenventil drei anschließt und mit dieser fest und gasdicht verbunden ist.
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In der zweiten Phase des Schleusenzyklusses wird der Schüttgutstrom gestoppt und die Schüttgutsäule fixiert, indem das Muffenventil eins in den Schaltzustand „b”, geschlossen für Granulat, übergeht.
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In der dritten Phase des Schleusenzyklusses wird das Muffenventil zwei in den Schaltzustand „a” geschaltet und ist für Schüttgut offen. In dieser Phase fällt der gesamte Inhalt an Schüttgut aus der oberen Schleusenkammer unter Wirkung der Schwerkraft in die untere Schleusenkammer. Während dieser Phase lastet der Prozessgasdruck nur auf dem unteren Muffenventil drei, so dass über die verbliebenen Falten in der Membran des Muffenventils drei im Schaltzustand „c” ein temporärer Verlust an Prozessgas eintritt. In den Fällen, in welchen dieser Verlust an Prozessgas nicht toleriert werden kann, muß mit der Anordnung eines weiteren Muffenventils eine Schleuse mit einer dritten Schleusenkammer gebildet werden, in welcher sich immer zwei Muffenventile im Schaltzustand „c” befinden und ein oder zwei Schleusenkammern mit einem Kompensationsgasdruck geringfügig über dem Prozessgasdruck in der hermetisch abzuschließenden Prozesskammer beaufschlagt werden.
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In der vierten Phase geht das mittlere Muffenventil zwei wieder in den Schaltzustand „c”, geschlossen für Schüttgut, über. Damit wird in der unteren Schleusenkammer wieder ein Kompensationsgasdruck geringfügig über dem Druck in der hermetisch abzuschließenden Prozesskammer aufgebaut und der Verlust an Prozessgas beendet.
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In der nachfolgenden fünften Phase des Schleusenzyklusses wird das untere Muffenventil drei in den Schaltzustand „a” geschaltet und das Schüttgut fließt nun vollständig aus der unteren Schleusenkammer in die darunter gelegene und mit ihm fest verbundene Prozesskammer ab. Eine Füllstandsregelung sichert, dass das dazu notwendige freie Volumen immer vorhanden ist.
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Der Kompensationsgasdruck liegt nun nur am mittleren Muffenventil zwei an und verhindert einen Verlust an Prozessgas.
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In der sechsten und letzten Phase des Schleusenzyklusses wird das untere Muffenventil drei in den Schaltzustand „c”, geschlossen für Luft und Schüttgut, geschaltet, so dass sich in der unteren Schleusenkammer wieder der Kompensationsdruck gegen den Verlust an Prozessgas aufbaut. Damit ist der Schleusenzyklus einer Zweikammerschleuse wieder an seinem Ausgangspunkt angelangt.
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Der Schleusenzyklus erfolgt genau in der Weise, dass sich in jeder Phase des Schleusenzyklusses mindestens ein Muffenventil im Schaltzustand „c”, für Gas und Schüttgut geschlossen, befindet. Auf diese Weise kann es in Näherung zu keinem Gasaustausch zwischen der Umgebungsluft und der Prozesskammer über die Schleuse kommen und die Prozesskammer ist gegenüber der Umgebungsluft hermetisch abgeschlossen. Erfindungsgemäß wird das zweite technische Problem – die volumetrische Reproduzierbarkeit der Schleusenmenge bei der Schleusung – dadurch gelöst, indem Schleusen mit mindestens drei Muffenventilen eingesetzt werden und über einen variablen Steuerdruck eines Muffenventiles eine definierte Schleusenmenge an mindestens einer der beiden Schleusen eingestellt wird. Es wurde gefunden, dass die Schleusenmenge näherungsweise linear vom Steuerdruck der Muffenventile abhängt. Mit der Erhöhung oder Verringerung des Steuerdrucks sind eine Variation der Schleusenmenge und damit eine Steuerung des Rieselflusses möglich.
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Die Erklärung dafür lieferte die vom Steuerdruck abhängige Formung der Schultern der zusammengefalteten Membran. Bei einem höheren Steuerdruck faltet sich die Membran auf einem längeren axialen Weg zusammen als bei einem niedrigeren Steuerdruck, der zu einer axial kürzeren Faltung führt.
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Mit zunehmendem Steuerdruck im Steuerraum des Muffenventils verlängert sich also der vollständig zusammengefaltete Bereich der Membran zu Lasten des Übergangsraumes der angrenzenden Schleusenkammer und verringert deren Volumen, so dass die Schleusenmenge sinkt.
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Eine Alternative zur Einstellung des Schleusenvolumens stellt ein Verdränger in der Schleusenkammer dar. Dieser Verdränger besteht aus einem stabförmigen, vorzugsweise im Querschnitt kreisförmigen Körper, welcher durch eine abgedichtete Öffnung unterschiedlich weit in die volumetrisch zu variierende Schleusenkammer eingeführt wird. Die Einstellung der Eindringtiefe erfolgt mit bekannten technischen Mitteln, wie z. B. Meßschrauben oder einem mechanischen oder elektronischen Weggeber.
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Die Variation des Schleusenvolumens führt im Schleusenbetrieb letztlich zur Einstellung der Massestromstärke an Schüttgut.
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Eine weitere technische Möglichkeit besteht in der Variation der Taktfrequenz der Schleusen, die ebenfalls zur Einstellung der Massestromstärke an Schüttgut führt. Bei extrem hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Schleusenmenge wird in die erfindungsgemäße Schleuse eine gravimetrische Messtechnik zur Erfassung einer jeden Schleusenmenge bzw. der Schüttgutmassestromstärke integriert.
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Vorgeschlagen wird dazu die an sich bekannte Wägung mit einer Prallwaage. Die Prallwaage ist in die Schleuse integriert. Die Position der Prallwaage befindet sich im oberen Bereich der unteren Schleusenkammer. Die Dichtfunktion der Schleuse verhindert das Auftreffen von Gasströmen aus der Prozesskammer oder der Schüttgutförderleitung auf die Prallwaage. Die gravimetrische Erfassung des Schüttgutes erfolgt nur während der Entleerung der oberen Schleusenkammer.
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Eine weitere Variante zur gravimetrischen Erfassung der Schüttgutmasse stellt die mechanische Entkopplung der untersten Schleusenkammer und ihre Aufhängung an einen Waagebalken mit Wägezelle dar. Die gravimetrische Erfassung der Schüttgutmasse erfolgt nur während die untere Schleusenkammer geschlossen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 Schleusenmodul
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2 Schleuse in Einzeldarstellung, vergrößert
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3 Schaltzustände eines Muffenventils
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4 Schleusenphasen
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5 Schließzustand eines Muffenventils mit höherem bzw. niedrigerem Steuerdruck
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Mit der erfindungsgemäßen Schleuse soll eine Probenentnahme aus einem Granulatstrom erfolgen, die Probe unter Abschluß von der Außenatmosphäre in eine Prozesskammer zur Feuchtevaporisation geschleust werden und nach erfolgter Vaporisation in den Granulatstrom zurückgeführt werden.
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In der Prozesskammer sollen ein Druck von 500 bis 1000 mbar und eine Temperatur von 80 bis 160°C herrschen. In 1 wird ein Schleusenmodul mit der oberen und unteren Schleuse und der Prozesskammer PK dargestellt. In 2 wird eine Schleuse in Einzeldarstellung gezeigt. Die Schleuse ist aus den senkrecht untereinander angeordneten Muffenventilen 1, 2 und 3 und den zwischen ihnen liegenden Schleusenkammern 4 und 5 aufgebaut. Das obere Muffenventil 1 ist an der Oberseite fest mit einer nicht weiter dargestellten Granulattransportleitung und an seiner Unterseite mit der oberen Schleusenkammer 4 fest und gasdicht verbunden. An diese obere Schleusenkammer 4 schließen sich das Muffenventil 2 und die untere Schleusenkammer 5 und daran das Muffenventil 3 an. Die Muffenventile 1, 2 und 3 und die Schleusenkammern 4 und 5 sind untereinander fest und gasdicht miteinander verbunden.
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Die Unterseite des Muffenventils 3 mündet in eine hier nicht weiter dargestellte Prozesskammer PK nach 1, die eine Feuchtemeßeinrichtung sein kann.
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Die obere und untere Schleusenkammer 4 und 5 werden über Kompensationsgaszuleitungen 12 und 13 von der Kompensationsgasdruckquelle 6 mit einem Kompensationsgasstrom versorgt, wobei der Kompensationsgasdruck immer geringfügig über dem Prozessgasdruck liegt und den gleichen Wasserdampfpartialdruck hat.
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Die gleiche Schleusenanordnung ist am Ausgang der Prozesskammer PK, 1, angeordnet, wobei der Ausgang der unteren Schleuse in die Granulattransportleitung mündet und die Probe dahin zurückführt. Die Muffenventile 1, 2 und 3 werden durch die Pneumatikventile V1, V2 und V3 mit Druckluft beaufschlagt, 1, und durch bekannte Steuer- und Regelelemente gesteuert und geregelt. Die Schleusenkammern 4 und 5 sind als hohlzylindrische feste Körper aus Metall, Keramik, Kunststoff oder Glas ausgebildet, wobei die obere Schleusenkammer 4 ein kleineres Volumen als die untere Schleusenkammer 5 aufweist, so dass ein vollständiges Entleeren der oberen Schleusenkammer 4 und des Übergangsraumes des darunter liegenden Muffenventils 2 in die untere Schleusenkammer 5 erfolgen kann, 2 und 4.
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In 3 werden die Schaltzustände dargestellt, die ein Muffenventil während einer Granulatschleusung annehmen kann. Dabei werden drei Schaltzustände definiert:
„a – für Gas und Granulat offen”,
„b – für Gas offen aber für Granulat geschlossen” und
„c – für Gas und Granulat geschlossen”. Der Schleusenzyklus für eine Granulatprobe läuft in sechs Phasen ab, die in 4 dargestellt sind.
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In Phase I ist das Muffenventil 1 im Schaltzustand „a”. Die Granulatsäule 7 steht im Lumen des Muffenventils 1 und in der oberen Schleusenkammer 4 und übt einen statischen Druck bis auf das Muffenventil 2 aus. Über das Lumen im offenen Muffenventil 1 kann der Kompensationsgasdruck aus der oberen Schleusenkammer 4 entweichen. Die beiden Muffenventile 2 und 3 sind im Schaltzustand „c”. Über eine verbliebene, geringe Anzahl von Spalten in der zusammengefalteten Membran drängt aus der unteren Schleusenkammer 5 Kompensationsgas über das Muffenventil 2 in die obere Schleusenkammer 4 und über das Muffenventil 3 in die Prozesskammer PK.
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In Phase II wird die Granulatsäule 7 fixiert, indem das Muffenventil 1 in den Schaltzustand „b” versetzt wird.
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In der Phase III wird das Muffenventil 2 in den Schaltzustand ”a” geschaltet. Jetzt fällt das Granulat aus der oberen Schleusenkammer 4 in Folge der Schwerkraft in die Schleusenkammer 5. Der Kompensationsgasdruck in der unteren Schleusenkammer 5 entweicht in dieser kurzzeitigen Phase III in die obere Schleusenkammer 4 und es kommt zu einem minimalen Prozessgasverlust, wenn nicht neben der Zuleitung 12 für Kompensationsgas in die untere Schleusenkammer 5 auch noch die Zuleitung 13 für Kompensationsgas in die obere Schleusenkammer 4 gelegt wurde.
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In Phase IV geht das Muffenventil 2 wieder in den Schaltzustand „c” über. Damit wird in der Schleusenkammer 5 wieder ein Kompensationsgasdruck geringfügig über dem Druck in der Prozesskammer PK aufgebaut und der Verlust an Prozessgas beendet.
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In Phase V wird das Muffenventil 3 in den Schaltzustand „a” versetzt und das Granulat fließt nun vollständig aus der unteren Schleusenkammer 5 in die Prozesskammer PK ab. Der Kompensationsgasdruck aus der Kompensationsgasdruckquelle 6 liegt nun am Muffenventil 2 an, wobei es zu keinem Prozessgasverlust kommen kann.
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In Phase VI des Schleusenzyklusses wird das Muffenventil 3 in den Schaltzustand „c” geschaltet, so dass sich in der unteren Schleusenkammer 5 wieder der Kompensationsgasdruck gegen den Verlust an Prozessgas über die Falten der geschlossenen Membran aufbaut. Der Schleusenzyklus einer Zweikammerschleuse ist damit wieder an seinem Ausgangspunkt angelangt.
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Der Schleusenzyklus verläuft damit so, dass sich in jeder Phase des Zyklusses mindestens ein Muffenventil im Schaltzustand „c – für Gas und Granulat geschlossen” befindet und sich in mindestens einer der darüber liegenden Schleusenkammern ein Kompensationsdruck aufbaut. Auf diese Weise kann es über die Schleuse zu keinem Gasaustausch zwischen der Umgebungsluft und der Prozesskammer PK kommen und die Prozesskammer PK ist damit gegenüber der Umgebungsluft hermetisch abgeschlossen.
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Die Einstellung der Granulatmenge bei der Probenahme und die volumetrische Reproduzierbarkeit der Granulatmenge wird gelöst, indem Schleusen mit mindestens drei Muffenventilen eingesetzt werden und die definierte Schleusenmenge über den variablen Steuerdruck, welcher am Muffenventil 1 anliegt, eingestellt wird.
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Dies wird möglich, weil die Schleusenmenge näherungsweise linear vom Steuerdruck des Muffenventils abhängt. Mit der Erhöhung oder Absenkung des Steuerdruckes sind eine Variation der Schleusenmenge und damit eine Steuerung des Rieselflusses möglich. 5 zeigt dazu die Formung der Schulter 8 der zusammengefalteten Membran bei höherem Steuerdruck und die Schulter 9 bei niedrigerem Steuerdruck. Es wird sichtbar, dass sich die Membran bei höherem Steuerdruck auf einem längeren axialen Weg zusammenfaltet, was zu einer Verringerung des Übergangsraumes 10 zur angrenzenden, darüberliegenden Schleusenkammer und damit zur Verringerung der Schleusenmenge führt. Bei einer Verringerung des Steuerdrucks vergrößert sich der Übergangsraum 10 und die Schleusenmenge erhöht sich.
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Die Granulatprobe wird aus dem Granulatförderstrom bei atmosphärischem Druck und bei einer Raumtemperatur von ca. 23°C entnommen und in die von der Außenatmosphäre abgeschlossene Prozesskammer PK eingeschleust, 1.
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Bis zur Ausschleusung hat die Granulatprobe die Prozesskammertemperatur angenommen und erreicht nach der Ausschleusung und Rückführung in den Granulatförderstrom wieder die Raumtemperatur.
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Der Füllstand in der Prozesskammer PK bei der Probenschleusung soll auf einer Sollhöhe konstant geregelt werden. Dabei müssen die thermische Ausdehnung der Schleuse sowie die Temperaturabhängigkeit der Schüttdichte und des Rieselverhaltens des Granulates beachtet werden.
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Dazu ist eine Regelstrecke bestehend aus zwei erfindungsgemäßen Schleusen jeweils am Eingang und am Ausgang der Prozesskammer PK, einer kapazitiven Füllstandssonde, einem elektronisch ansteuerbaren Präzisionsdruckregelventil und einem Masterprozessor 11 zum Ansteuern sowohl der Füllstandssonde als auch des Regelventilprozessors angelegt. Die vor dem Eingang der Prozesskammer PK angeordnete Schleuse erhält die Druckluft zum Ansteuern der Muffenventile über das elektronisch ansteuerbare Präzisionsdruckregelventil. Die andere Schleuse erhält die Druckluft aus einem mechanischen Präzisionsdruckregelventil mit konstantem Steuerdruck.
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Die kapazitive Füllstandsonde ist an definierter Stelle im oberen Teil der Prozesskammer PK angeordnet und sendet permanent das binäre Signal „Füllstand erreicht” oder „Füllstand nicht erreicht”. Die beiden Schleusen werden synchron im Takt mit dem Schleusenzyklus in seinen einzelnen Phasen I bis VI nach 4 gesteuert. Entsprechend dem aktuellen Signal der Füllstandssonde wird vom Masterprozessor 11 der Magnetventile, welche die Muffenventile pneumatisch steuern, von Schleusenzyklus zu Schleusenzyklus der Steuerdruck am elektronisch ansteuerbaren Präzisionsdruckregelventil verändert.
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Sendet die Füllstandssonde das Signal „eingetaucht (Ein)”, dann steigt von Schleusenzyklus zu Schleusenzyklus der Steuerdruck um einen einstellbaren Betrag und die vor der Prozesskammer PK angeordnete obere Schleuse läßt von Zyklus zu Zyklus eine geringere Schleusenmenge in die Prozesskammer PK. Dieser iterative Prozeß verläuft bis zum Erreichen eines eingestellten Maximaldruckes für die variable Schleuse vor dem Eingang in die Prozesskammer PK. An diesem Arbeitspunkt ist der Steuerdruck an der Schleuse vor der Prozesskammer höher als an der Schleuse am Ausgang der Prozesskammer PK und damit auch die Schleusenmenge der Eingangsschleuse niedriger als die der Ausgangsschleuse. Die Bilanz der Schleusenmenge zwischen dem Prozesskammereingang und -ausgang ist nun negativ, d. h. der Füllstand in der Prozesskammer sinkt und nach einer absehbaren Zeit taucht die Füllstandssonde wieder auf und sendet das Signal „aufgetaucht (Aus)”.
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Von der Zykluszahl der erstmaligen Änderung des binären Signals an stellt der Masterprozessor wieder sinkende Werte für den Steuerdruck an der Schleuse vor der Prozesskammer PK bis zum Erreichen eines eingestellten Minimums ein.
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Damit steigt an der Eingangsschleuse die Schleusenmenge wieder bis über die der Ausgangsschleuse. Die Bilanz der Schleusenmenge zwischen dem Prozeßkammereingang und -ausgang ist nun positiv und der Füllstand in der Prozesskammer PK steigt. Nach einer weiteren absehbaren Zeit kommt es zur nächsten Änderung des binären Signals der kapazitiven Füllstandssonde.
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Die technischen Parameter dieser Füllstandsregelung in der Prozesskammer PK sind die schüttgutabhängige Empfindlichkeit der kapazitiven Füllstandssonde, der Solldruck am mechanischen Präzisionsdruckregelventil für den Steuerdruck der Schleuse am Ausgang der Prozesskammer PK, das Maximum und das Minimum des Steuerdrucks der Schleuse am Eingang der Prozesskammer PK sowie die Schrittweite für den veränderlichen Steuerdruck.
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Die Füllstandsregelung kann auch mit zwei Schleusen erfolgen, die nicht synchron im Takt gesteuert werden, sondern an zwei separaten Taktgebern hängen. Der Taktgeber für die untere Schleuse wird auf eine konstante Frequenz eingestellt. Die Frequenz des Taktgebers für die obere Schleuse wird in Abhängigkeit des binären Signals der kapazitiven Füllstandssonde iterativ variiert.
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Sendet die Füllstandssonde das Signal „Füllstand erreicht (Ein)”, dann sinkt von Schleusenzyklus zu Schleusenzyklus die Taktfrequenz der oberen Schleuse um einen einstellbaren Betrag und die vor der Prozesskammer PK angeordnete obere Schleuse läßt eine sinkende Massestromstärke an Granulat in die Prozesskammer PK.
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Dieser iterative Prozess verläuft bis zum Erreichen eines sinkenden Füllstandes. Nach der Änderung des binären Signals „Füllstand nicht erreicht (Aus)”, steigt die Taktfrequenz der oberen Schleuse in einem einstellbaren Betrag wieder an bis der Füllstand steigt und die nächste Änderung des binären Signals erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Muffenventil
- 2, 2'
- Muffenventil
- 3, 3'
- Muffenventil
- 4
- obere Schleusenkammer
- 5
- untere Schleusenkammer
- 6
- Kompensationsgasdruckquelle
- 7
- Granulatsäule
- 8
- Membranschulter bei hohem Steuerdruck
- 9
- Membranschulter bei niedrigem Steuerdruck
- 10
- Übergangsraum
- 11
- Masterprozessor
- 12
- Kompensationsgaszuleitung
- 13
- Kompensationsgaszuleitung
- PK
- Prozesskammer
- V1
- Pneumatikventil 1
- V2
- Pneumatikventil 2
- V3
- Pneumatikventil 3
- V4
- Pneumatikventil 4
- V5
- Pneumatikventil 5
- V6
- Pneumatikventil 6
