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Die Erfindung betrifft eine vertikale Kugelmühle zum Zerkleinern von Mahlgut, welche konzentrisch um die Längsachse angeordnete Mahlkammern aufweist.
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In Kugelmühlen zum Zerkleinern von faserigem, hartem oder sprödem Mahlgut wird in einem Behälter das Mahlgut gemeinsam mit Mahlkörpern, meist in Form von Kugeln, bewegt oder durchmischt. Bei der Durchmischung des Mahlguts mit den Mahlkörpern zerkleinern die Mahlkörper das Mahlgut durch Stoß und Reibung. Dabei sind die Mahlkörper in der Regel deutlich größer als die Korngröße des in die Kugelmühle aufgegebenen Mahlguts, so dass eine Abtrennung des zerkleinerten Mahlguts von den Mahlkörpern durch einfache Siebe oder Gitter erfolgt. Es sind horizontale und vertikale Kugelmühlen bekannt.
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Horizontale Kugelmühlen bestehen in der Regel aus einer waagrecht angeordneten, zylindrischen Mahlkammer, die mit einer Vielzahl von Mahlkörpern gefüllt ist. Als Mahlkörper werden in der Regel Kugeln oder Zylinder verwendet, die meist aus einem verschleißfesten Material bestehen. Häufig werden Mahlkörper aus Stahl verwendet, daneben kommen jedoch auch Kugeln aus Gusseisen, Stein oder Keramik zum Einsatz. Generell werden mit Kugelmühlen mittelharte bis extrem harte, spröde und faserige Materialien zerkleinert.
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Zum Zerkleinern wird das Mahlgut gemeinsam mit den Mahlkörpern in die Mahlkammer gegeben und die Gesamtheit der Mahlkörper durch Drehen des Zylinders ins Rollen gebracht. Dabei kommt es zu Stößen zwischen Mahlkörper und Mahlgut, wodurch das Mahlgut durch die Stoßbewegung mit den harten Mahlkörpern zerrieben wird. Abhängig von der Drehzahl treten verschiedene Bewegungsformen der Mahlkörper auf. Bei niedrigen Drehzahlen findet Kaskadenbewegung statt, bei der die Kugeln nur abrollen. Mit steigender Drehzahl werden die Kugeln angehoben und fallen auf das Mahlgut. Oberhalb der kritischen Drehzahl werden die Kugeln von der Fliehkraft an der Trommelwand festgehalten und es findet kaum noch Bewegung und Vermahlung statt. Der optimale Betriebspunkt ist oberhalb einsetzender Kataraktbewegung und unterhalb der kritischen Drehzahl.
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In der
DE 20006063 U1 ist eine horizontale Kugelmühle zur Erzeugung von Feinstmehlpartikeln beschrieben. Die Mahlvorrichtung besteht aus einer Siebkugelmühle mit einer zylindrischen, um eine horizontale Achse drehbaren Mahltrommel. Innerhalb der Mahltrommel sind mehrere Siebeinsätze hintereinander konzentrisch um die Längsachse der Trommel angeordnet, die sukzessive immer feiner werdende Durchlassöffnungen aufweisen. Die Kammern enthalten jeweils immer kleiner werdende Mahlkörper, wodurch das Mahlgut in den Kammern in stets feinere Fraktionen getrennt wird.
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Nachteilig an horizontalen Kugelmühlen ist, dass sie einen verhältnismäßig großen Durchmesser erfordern, da die Mahlkörper für eine optimale Zerkleinerung eine gewisse Mindestfallhöhe benötigen.
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Vertikale Kugelmühlen bestehen im Gegensatz zu den horizontalen Kugelmühlen aus einem vertikal angeordneten, zylindrischen Mahlgefäß, das ebenfalls mit harten, verschleißfesten Mahlkörpern gefüllt ist. Das Mahlprinzip der horizontalen Kugelmühlen unterscheidet sich jedoch von dem der vertikalen Kugelmühlen. Bei vertikalen Kugelmühlen erfolgt der Energieeintrag meist über ein externes Rührwerk, welches das Mahlgut und die Mahlkörper durchmischt. Alternativ zum externen Rührwerk kann der Energieeintrag auch durch Schütteln, oder Drehen des Mahlgefäßes erfolgen. Anders als bei horizontalen Kugelmühlen findet hier in der Regel keine Fallbewegung der Mahlkörper statt. Stattdessen wird das Mahlgut durch die mechanische Beanspruchung zwischen den Mahlkörpern zerkleinert, und das zerkleinerte Mahlgut sinkt durch die Schwerkraft oder mit Hilfe von geeigneten Fördereinrichtungen zwischen den Mahlkörpern hindurch und gelangt schließlich zum Boden des Mahlgefäßes und kann dort entnommen werden.
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Aus
DE 2700311 A1 ist eine vertikale Kugelmühle bekannt, die aus einem vertikalen Rohr besteht, in dem die Mahlkörper in das mit Mahlgut gefüllte Mahlgefäß fallen. Nachteilig an dieser Kugelmühle ist, dass die Mahlkörper mittels einer Transportvorrichtung stets wieder aus der Mahlkammer entfernt und nach oben transportiert werden müssen, von wo sie dann erneut fallen gelassen werden.
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In der
DE 19834397 A1 wird eine vertikale Rohrmühle beschrieben, das Mahlgut mitsamt der Mahlhilfskörper durch konzentrische Mahlräume geleitet wird. Das Mahlgut muss am Schluss der Passage der Mahlräume durch eine entsprechende Sortier- oder Trennvorrichtung getrennt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kugelmühle zur Verfügung zu stellen, die wenig Platz beansprucht und mit der das Mahlgut mit einfachen Mitteln zeitsparend aber trotzdem effizient zerkleinert werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine vertikale Kugelmühle gemäß den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Kugelmühle besteht aus mindestens einer ersten inneren, mit Mahlkörpern gefüllten Mahlkammer sowie aus mindestens einer zweiten, konzentrisch um die innere Mahlkammer angeordneten und ebenfalls mit Mahlkörpern gefüllten äußeren Mahlkammer. Die mindestens eine innere und die mindestens eine äußere Mahlkammer sind in der erfindungsgemäßen Kugelmühle durch eine drehbare Rohrwelle voneinander getrennt. Die drehbare Rohrwelle trennt die mindestens eine innere Mahlkammer und die mindestens eine äußere Mahlkammer nicht vollständig voneinander, sondern bildet durch einen Spalt zwischen drehbarer Rohrwelle und einer Wandung des Mahlgefäßes und/oder durch Ausnehmungen in der drehbaren Rohrwelle eine Durchlassöffnung für das Mahlgut. Die drehbare Rohrwelle wird von außen angetrieben und trägt dadurch mechanische Energie in die Mahlkammern. Durch die Rotation der drehbaren Rohrwelle werden die Mahlkörper in den Mahlkammern in Bewegung gebracht.
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Die so aufgebaute Kugelmühle hat eine Eintragsvorrichtung für das Mahlgut in einer ersten Mahlkammer sowie eine Austragsvorrichtung in der anderen, zweiten Mahlkammer. Die Öffnung der Eintragsvorrichtung und der Austragsvorrichtung ist bevorzugt mit einem weitmaschigen Kugelhaltesieb versehen, welches das Mahlgut hindurch lässt, aber verhindert, dass die Mahlkörper in die Eintragsvorrichtung gelangen.
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Durch die konzentrische Anordnung der Mahlkammern durchläuft das Mahlgut von der Eintragsvorrichtung bis zur Austragsvorrichtung einen Weg, welcher der doppelten Höhe der Mahlkammer entspricht. Mit der erfindungsgemäßen Kugelmühle kann somit bei gleicher Bauhöhe eine effizientere Zerkleinerung erfolgen als bei herkömmlichen Kugelmühlen mit nur einer Mahlkammer.
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Das Mahlgut wird mittels der Eintragsvorrichtung in die erste Mahlkammer der Kugelmühle unter hohem Pressdruck eingetragen. Danach durchläuft das Mahlgut die erste Mahlkammer vom Eintragsort der ersten Mahlkammer bis zur oben erwähnten Durchlassöffnung. Auf diesem Weg wird das Mahlgut zwischen den in der ersten Mahlkammer befindlichen und durch die angetriebene, drehbare Rohrwelle bewegten Mahlkörper zerkleinert. Durch die eingangs erwähnte Durchlassöffnung, gelangt das Mahlgut dann in die andere, zweite Mahlkammer. Durch den Pressdruck, der z. B. von einer Flüssigkeitspumpe oder einer Förderschnecke erzeugt wird, wird das Mahlgut-Mahlkörper-Gemenge in der ersten Mahlkammer gegen die Wirkung eines in der Durchlassöffnung befindlichen Siebs komprimiert, wobei durch die Kompression die Zerkleinerungswirkung der Mahlkörper vor allem durch scherende Bewegung erzeugt wirkt. Nach Passage der Durchlassöffnung durchläuft das Mahlgut die zweite Mahlkammer.
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Besonders an den zwei aufeinander folgenden und durch die Durchlassöffnung verbundenen Mahlkammern ist, dass die Zerkleinerungswirkung der Mahlkörper je nach Füllstand der Mahlkammern vorrangig durch Scheren oder vorrangig durch Schlag geschieht. Eine Mahlkammer, die mit einem abwärts nach unten gerichteten Mahlgutstrom durchströmt wird, zeigt in der Regel eine starke Scherwirkung zwischen den komprimierten und zusätzlich durch Schwerkraft beieinander gehaltenen Mahlkörpern. Eine Mahlkammer, die hingegen mit einem aufwärts gerichteten Mahlgutstrom durchströmt wird und eine nicht vollständige Füllung mit Mahlkörpern aufweist, wird in der Regel eine Zerkleinerung durch Schlag zeigen, wenn die Mahlkörper im aufwärts gerichteten Mahlgutstrom regelrecht aufgetrieben werden und dabei ihre scherende Bewegung gegeneinander verlieren.
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Die Mahlkörper bestehen üblicherweise aus verschleißfesten Kugeln und können eine unterschiedliche Größe oder Form aufweisen. Dadurch kann in den Mahlkammern ein unterschiedlicher Zerkleinerungsgrad erreicht werden.
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Die Kugelmühle kann auch mehrere Mahlkammern umfassen. In diesem Fall weist die Mühle mehrere konzentrisch angeordnete oben offene Rohre auf.
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Die Rohrwelle hat dann eine der Anzahl der Kammern entsprechende Anzahl ebenfalls konzentrisch angeordnete Rührsegmente, die jede dieser Kammern in eine weitere innere und eine weitere äußere Kammer aufteilt. Das Mahlgut durchläuft die Mühle dann in einer Mäanderbewegung, indem es die Kammern abwechselnd nach oben und nach unten durchläuft. Vom Eintrag des Mahlgutes in die Mühle bis zu dessen Austrag durchläuft das Mahlgut somit ein Vielfaches der Höhe der Mahlkammer. Damit kann auch in einer sehr kompakten Anlage eine sehr intensive Zerkleinerung erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung befindet sich in der inneren Mahlkammer ein umgekehrter Mahltrog, der die innere Mahlkammer zum Teil ausfüllt und somit die innere Mahlkammer auf das Volumen eines Hohlzylinders reduziert. Innerhalb des umgekehrten Mahltrogs, der einen Zugang von Außen aufweist, kann ein Wärmetauscher angeordnet sein, um die Temperatur des Mahlguts in der inneren Mahlkammer zu kontrollieren. Des Weiteren kann im inneren Mahltrog je nach Konfiguration der erfindungsgemäßen Kugelmühle auch die Eintrags- oder Austragsvorrichtung angeordnet sein.
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Der Füllstand der Mahlkammern in Bezug auf die Mahlkörper ohne Mahlgut beeinflusst die Art der vorherrschenden Mahlwirkung in der korrespondierenden Mahlkammer. Bevorzugt werden die Mahlkammern zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mehr als 70% und ganz besonders bevorzugt zu mehr als 85% des Volumens der Mahlkammer mit den Mahlkörpern gefüllt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rohrwelle höhenverstellbar gestaltet. Damit kann die Größe des Spaltes, den das Mahlgut beim Durchgang von der inneren in die äußere Kammer passiert, eingestellt werden. Die Spaltgröße beeinflusst unter anderem auch den Druck in der Mahlkammer. Bei einem kleinen Spalt kann nur wenig Mahlgut pro Zeiteinhalt den Spalt durchqueren. Als Folge davon steigt der Druck in der Mühle, wodurch der Mahlgrad erhöht wird. Durch Einstellung der Höhe der Rohrwelle kann somit auch der Druck und damit auch der Mahlprozess sehr einfach gesteuert werden.
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Ein weiterer Vorteil der hohlzylindrischen Mahlkammer besteht darin, dass sich durch das verkleinerte Volumen der Mahlkammer der Gesamtaufwand der zu bewegenden Mahlkörper, also die benötigte Energie und das Drehmoment, erheblich verringert wird. Die hohlzylindrische Mahlkammer führt somit zu einer heftigeren Bewegung der Mahlkörper und damit zu einer intensiveren Zerkleinerung des Mahlgutes. Gleichzeitig werden auch weniger Mahlkörper benötigt, wodurch zusätzlich Material gespart wird. Der scheinbare Nachteil des kleineren Mahlraumes wird durch eine effizientere Zerkleinerung mit einem gleichzeitig geringeren Energieaufwand somit mehr als kompensiert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist auch die äußere Mahlkammer mit einer Kühl-, bzw. Heizvorrichtung ausgestattet. Dadurch kann die Temperatur der inneren Mahlkammer und der äußeren Mahlkammer individuell kontrolliert werden.
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Um den Energieeintrag in die Mahlkammern zu erhöhen, ist vorgesehen, dass die Wandungen der Mahlkammern und/oder der Rohrwelle, die einen Teil der Wandung der Mahlkammern bildet, strukturiert ist. Durch die Strukturierung wird ein glattes Abrollen der Mahlkörper verhindert, so dass eine Stoß- und Scherzerkleinerung beim Mahlvorgang erzwungen wird.
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Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigt
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1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen vertikalen Kugelmühle
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In 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße vertikale Kugelmühle 1 dargestellt. Kugelmühle 1 weist von Außen nach Innen auf: erstens eine äußere Wandung 2, welche eine Temperierflüssigkeit um eine äußere Wandung 3 der äußeren Mahlkammer 4 hält. Die äußere Mahlkammer 4 ist umschlossen durch die oben genannte äußere Wandung 3, durch eine drehbar gelagerte Rohrwelle 5 und durch eine obere Abschlussplatte 6 der vertikalen Kugelmühle 1. Am Boden 7 der äußeren Mahlkammer 4 befindet sich zwischen Boden 7 und dem Ende der Rohrwelle 5 ein Ringspalt 8, der so bemessen ist, dass keine Mahlkörper 9 durch diesen Ringspalt 8 hindurchtreten können. Jedoch ist die lichte Breite des Ringspalts 8 so groß, dass dadurch zerkleinertes Mahlgut 10 hindurchtreten kann. Je nach Konfiguration der vertikalen Kugelmühle 1 ist vorgesehen, dass das Mahlgut 10 von der äußeren Mahlkammer 4 über den Ringspalt 8 in eine innere Mahlkammer 11 fließt oder umgekehrt. Innere Mahlkammer 11 ist begrenzt durch die Rohrwelle 5 nach außen und durch einen umgekehrten Mahltrog 12 nach innen. Im Inneren Raum 13 des umgekehrten Mahltrogs 12 befindet sich eine weitere Wandung 14, welche ebenfalls eine Temperierflüssigkeit an der Wandung des umgekehrten Mahltrogs 12 hält. Im Inneren der hohlzylindrischen Wandung 14 befindet sich schließlich eine Eintragsvorrichtung 15 für die Aufgabe des zu zerkleinernden Mahlguts in die innere Mahlkammer 11, sofern die vertikale Kugelmühle 1 so konfiguriert ist, dass die Erstzerkleinerung in der inneren Mahlkammer 11 und die Zweitzerkleinerung in der äußeren Mahlkammer 4 stattfinden soll.
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Die drehbare Rohrwelle 5 tritt durch die obere Abschlussplatte 6 hindurch und weist eine Welle 16 auf, durch welche die Rohrwelle 5 in Rotation versetzt werden kann, wodurch die Mahlkörper 9 in der äußeren Mahlkammer 4 und die Mahlkörper 17 in der inneren Mahlkammer 11 in Bewegung gesetzt werden. Schließlich weist die vertikale Kugelmühle 1 noch eine Eintrags- oder Austragsvorrichtung 18 auf, durch die zerkleinertes Mahlgut 10 aus der vertikalen Kugelmühle 1 ausgetragen oder frisches Mahlgut in die vertikale Kugelmühle 1 aufgegeben wird.
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Zur Zerkleinerung von beispielsweise Kakaobohnen, Kakaomasse oder Kakaoflüssigkeit werden diese durch Eintragsvorrichtung 15, die eine Förderschnecke enthalten kann, in die innere Mahlkammer 11 eingepresst. Die sich drehende Rohrwelle 5 versetzt die in der inneren Mahlkammer 11 vorhandenen Mahlkörper 17 in Bewegung, wobei die hier vorliegenden Kugeln als Mahlkörper eine unregelmäßig rollende Bewegung durchführen. Das Mahlgut, das durch die Eintragsvorrichtung 15 in die innere Mahlkammer 11 geleitet wird, passiert die sich in Bewegung befindlichen Mahlkörper 17 und wird dabei durch Scherbewegung der Mahlkörper 17 untereinander und durch Stoß zerkleinert. Durch den hohen Förderdruck der Eintragsvorrichtung 15 wird das Gemenge aus Mahlkörpern 17 und Mahlgut in der inneren Mahlkammer 11 stromabwärts in Richtung des Ringspalts 8 gedrückt. Durch diesen stromabwärts gerichteten Förderdruck werden die Mahlkörper 17 stark aneinander gepresst, wodurch die Zerkleinerungsleistung der Mahlkörper 17 in der inneren Mahlkammer 11 erhöht wird. Da die Mahlkörper 17 aufgrund ihrer Größe den Ringspalt 8 nicht passieren können, tritt das Mahlgut alleine durch den Ringspalt 8 und tritt in die äußere Mahlkammer 4 ein. Die Flussrichtung des Mahlguts ist in der äußeren Mahlkammer 4 nach oben gerichtet, wodurch die Mahlkörper 9 einen Auftrieb erhalten. Sofern der Füllstand mit Mahlkörpern 9 in der äußeren Mahlkammer 4 groß genug ist, werden die Mahlkörper 9 diesmal gegen ein Sieb 19 in der Austragsvorrichtung 18 gepresst. Sofern der Füllstand mit Mahlkörpern in der äußeren Mahlkammer 4 geringer ist, schwimmen die Mahlkörper 9 stromabwärts in nach oben gerichteter Richtung auf und die Zerkleinerung findet in geringerem Maß durch Scherbewegung zwischen den Mahlkörpern 9 statt.
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Bei der Zerkleinerung zwischen den Mahlkörpern 9 und 17 entsteht durch die hohe Reibung Wärme. Diese Wärme kann das Mahlgut bis über 90°C erhitzen, was zu einer Degradation des Mahlguts führen kann, wenn es sich um organisches Material handelt. Um die Reibungswärme abzuführen, ist vorgesehen, dass eine Temperierflüssigkeit an den Wandungen der nach innen weisenden Seiten der inneren Mahlkammer 11 vorbeifließt und dabei die Wärme abführt. In gleicher Weise wirkt eine Temperierflüssigkeit, die zwischen der äußersten Wandung 2 der vertikalen Kugelmühle 1 und der äußeren Wandung 3 der äußeren Mahlkammer fließt.
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Um den Energieeintrag in die Mahlkammern 4 und 11 zu erhöhen, ist vorgesehen, dass auf den Wandungen der Rohrwelle 5 und auf den zu den jeweiligen Mahlkammern 4 und 11 weisenden Seiten der äußeren Wandung 3 und dem Mahltrog 12 eine Strukturierung vorhanden ist. Diese Strukturierung verhindert ein glattes Abrollen der Mahlkörper 9 und 14, wodurch die Mahlkörper unter Zwang eine chaotische Bewegung durchführen, dabei scheren, reiben und stoßen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelmühle
- 2
- äußere Wandung (Temperierflüssigkeit)
- 3
- äußere Wandung (äußere Mahlkammer)
- 4
- äußere Mahlkammer
- 5
- Rohrwelle
- 6
- Abschlussplatte
- 7
- Boden
- 8
- Ringspalt
- 9
- Mahlkörper
- 10
- Mahlgut
- 11
- innere Mahlkammer
- 12
- umgekehrter Mahltrog
- 13
- innerer Raum (umgekehrter Mahltrog)
- 14
- Wandung
- 15
- Eintragsvorrichtung
- 16
- Welle
- 17
- Mahlkörper
- 18
- Austragsvorrichtung
- 19
- Sieb
