DE102013009929A1

DE102013009929A1 - Horizontalmischer mit biegemomentfreien Endlagern

Info

Publication number: DE102013009929A1
Application number: DE201310009929
Authority: DE
Inventors: Detlef Klatt; Janin Klatt-Eberle
Original assignee: STC ENGINEERING GmbH; STC- Engineering GmbH
Current assignee: STC ENGINEERING GmbH; STC- Engineering GmbH
Priority date: 2012-08-25
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Vorrichtung zum Mischen von flüssigen Medien, welche körnige, faserige und staubförmige Stoffe in einer beliebigen Mischung enthalten können, in einem horizontalen Mischbehälter (1), der rund oder eckig sein kann, aus Metall, Kunststoff oder Beton oder einer beliebigen Kombination dieser Werkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass die Rührwerkzeuge (2) auf einer Welle (3) angeordnet sind, welche durch Verdrängung des Rührmediums (24) durch die Welle (3) selbst und den eingetauchten Rührwerkzeugen (2) so viel Auftrieb erzeugt, dass die Welle (3) aufschwimmt, eine horizontale Lage einnimmt und so keine oder nur unwesentliche Biegemomente in die antriebsseitige wie abtriebsseitige Lagerung (6) (7) sowie deren vertikale Tragkonstruktionen (4) einbringt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es gibt Rühr- und Mischeinrichtungen, die in horizontal liegenden Behältern eingebaut sind. Dies betrifft sowohl Batchreaktoren als auch sogenannte plug-flow-Reaktoren.
Mit Patent-Nr.
EP 1589 095 B1
DE 196 24268 A1
EP 1841853 B1
sind solche Einrichtungen bekannt. Da die Behälter im Verhältnis zu deren Durchmesser sehr lang sind, wird die Rührwelle zusätzlich zu den 2 Randlagern auch noch im Behälter während des Betriebes durch 1 oder mehrere zusätzliche Lager geführt und unterstützt.
Diese Anwendung hat den Nachteil, dass die im Behälterinneren liegenden Lager schnell verschleißen und die Verschleißteile regelmäßig getauscht werden müssen, was regelmäßig zum Anlagenstillstand führt und die Anlagenverfügbarkeit und damit Wirtschaftlichkeit vermindert wird. Die von der Lagerung resultierenden Querkräfte müssen in die angrenzende Konstruktion/Struktur eingeleitet werden, was zu übermäßig starken Behälterwänden führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Lösung zu belegen, bei der die Rührwelle praktisch im Behälterinneren wartungsfrei betrieben werden kann und möglichst geringe Reaktionskräfte in die angrenzenden Strukturen geleitet werden.
Diese Aufgabe wird im Wesentlichen durch eine schwimmende Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Rührwelle wird massiv oder hohl und schweißdicht so gestaltet, dass sie im Medium aufschwimmt und die Auftriebskräfte gleich den Gewichts- und Betriebskräften sind.
Damit sind die angrenzenden Strukturen weitgehend biegemomentenfrei. Diese schwimmende Welle ist im Patent 1841 853 B1 beschrieben, jedoch sind hier keinerlei Hinweise auf die Handhabung im Entleerungsfall des Behälters gegeben. Ein weiterer Nachteil ist, dass die doch beträchtlichen radialen Betriebslasten, resultierend aus dem Drehmoment, nicht bewertet werden. Im Gegensatz dazu wird in der hier gegenständlichen Erfindung bei leerem Behälter die Welle auf Stillstandsstützen statisch abgelegt, um die horizontale Wellenachse weitgehend zu erhalten. Diese Stillstandsstutzen sind wartungsfrei und können fest oder beweglich gestaltet sein.
Die Behälter können damit mit dünneren Wänden gebaut werden, was auch zu geringeren Fundamentbelastungen führt. Entscheidender Vorteil ist aber, dass der Behälter nicht mehr entleert, gereinigt und geöffnet werden muss, um die Verschleißteile der Zwischenlager zu erneuern. Bei biologischen Prozessen wie in der Biogaserzeugung entstehen keine lag-Phasen mehr, in denen die biologischen Prozesse sich erst wieder stabilisieren müssen, bevor die eigentliche gewollte Produktion des Wertstoffes wieder beginnt. Es wird so zur deutlich besseren Wertstoffausbeute beigetragen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Sie zeigen die Lastverhältnisse an den Randlagern A und B durch die schwimmende Welle.
1 Gleichgewichtsbedingungen der schwimmenden Welle
2 Der Horizontalmischer mit Stillstandsstützen
3 Der Horizontalmischer mit Welle-Lagerung und 2 Kugelgelenken
4 Der Horizontalmischer mit Welle-Lagerung und einem Kugelgelenk auf der Antriebsseite sowie einem Schwenkgleitlager auf der Gegenseite.
5 Ausführung der Stillstandsstützen unterhalb der Welle
6 Ausführung der einstellbaren Stillstandsstütze von oben
In der 1 werden die Gleichgewichtsbedingungen der schwimmenden Welle (3) gezeigt.
Typische Größen für einen solchen Horizontalmischer sind D = 1,5 bis 8 m und L = 6 bis 40 m.
Die Gleichgewichtsbedingungen lauten F_GRoy + F_Gwy = F_Auf F_Auf = ΣF_AufRo + F_AufW = [ΣV_Ro + Σy_W]·ρ_M·g F_GRoy = Σm_Ro·g F_GWy = m_W·g
Alle auf der Welle (3) angebrachten Rührwerkzeuge (2) und die Welle (3) selbst erzeugen durch ihr Eigengewicht eine statische Gewichtskraft, F_S = F_GRoy + F_GWy.
Wenn die Rührwerkzeuge (2) und die Welle (3) in das Rührmedium (24) eintauchen, verdrängen sie mit ihrem eigenen Volumen das Rührmedium (24) und erzeugen damit die Auftriebskräfte F_Auf.

Die Welle (3) mit der Rührorganbelegung wird dabei so gestaltet, dass die Summe aller Gewichtskräfte gleich der Summe aller Auftriebskräfte ist. Die Rührwelle (3) schwimmt und die Randlager A und B sind idealerweise biegemomentenfrei und auch axiallastfrei.

Formelzeichen			Indices
D	Behälterdurchmesser	[m]	Auf	Auftrieb
L	Behälterlänge	[m]	Ro	Rührorgan
F	Kraft	[N]	W	Welle
V	Eintauchvolumen	[m³]	G	Gewicht
g	Erdbeschleunigung	[m/s²]	y	Lastrichtung
ρ	Mediendichte	[kg/m³]	M	Medium
m	Masse	[kg]	s	statisch
h	Füllhöhe	[m]

Nach 2 werden im Behälter (1), wie dargestellt, eine oder mehrere Stillstandsstützen (5) von oben oder unten eingebaut. Das Höhenmaß h ist jeweils so bemessen, dass die durch die sich ergebende geometrisch zulässige Durchbiegung der Welle an der Stelle der jeweiligen Stillstandsstütze erzeugten Randbiegemomente nicht größer sind als die, die im Stillstand unter statischen Bedingungen zulässig sind.
Nach 3 ist das Prinzip der antriebsseitigen Laerung (6) und der abtriebsseitigen Lagerung (7) dargestellt, bei der zur Biegemomentenvermeidung in der vertikalen Tragkonstruktion (4) zwei Kugelgelenke (8) eingebaut sind. Durch Drehung der Kugelgelenke (8) bleiben Antriebszapfen (13) und Abtriebszapfen (14) durch die Verformung der Welle (3) biegemomentenfrei. Die Drehmomentübertragung findet auf der Antriebsseite (6) durch einen Mehrkant (10), angebracht auf dem Antriebszapfen (13), bzw. dem Abtriebszapfen (14) statt. Das Spiel zwischen Mehrkant (10) und Außenteil (11) ist so bemessen, dass keine Drehbehinderung des Kugelgelenkes (8) stattfindet.
Nach 4 ist ein weiteres Prinzip einer antriebsseitigen Lagerung (6) und einer abtriebsseitigen Lagerung (7) dargestellt, bei der zur Vermeidung der Biegemomenteneinleitung in die vertikalen Tragkonstruktionen (4) ein Kugelgelenk (8), wie zu 3 beschrieben, auf der Antriebsseite (6) eingebaut ist und auf der Abtriebsseite (7) ein Schwenkgleitlager (15).
In der geteilten Außenbuchse (17) des Schwenkgleitlagers (15) ist die sphärische Schwenklagerbuchse (16) gleitend gebettet und gegen Verdrehung gesichert. In der Schwenklagerbuchse (16) läuft der Abtriebszapfen (14), der mit einer Verschleißbuchse (18) geschützt ist. Die Verschleißbuchse (18) ist im Kontaktbereich mit der Schwenklagerbuchse (16) hartbeschichtet, um optimale Standzeiten zu gewährleisten.
Nach 5 ist das Prinzip einer unterhalb der Welle (3) eingebaute Stillstandsstütze (5) dargestellt. Der Abstand f zwischen Welle (3) und Stillstandsstütze (5) wird so gewählt, dass die Welle (3) im Betriebsfall die Stillstandsstütze (5) nicht berühren kann, im Wartungsfall bei Ablassen des Rührmediums (24) es jedoch auch nicht zu einer Überlastung der Welle (3) kommen kann.
6 zeigt eine Stillstandsstütze (5), welche von oben eingebaut ist und die wie beschrieben im Wartungsfall über einen Verstellmechanismus (23) mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch über die Spindel (22) zur Welle (3) angehoben werden kann.
Dabei wird der Weg f₁ zurückgelegt, der so bemessen ist, dass er im Betriebsfall groß genug ist, um eine Berührung mit der Welle (3) sicher zu vermeiden. Die Stillstandsstütze (5) ist mit der Spindel (22) über den Kolben (20) verbunden. Im Betätigungsfall bewegt sich der Kolben (20) im Axialstutzen (19), zu dem der Kolben (20) über den Dichtring (21) gedichtet ist, und so ein Gasaustritt in die Atmosphäre sicher vermieden wird und die Welle (3) in dieser Position horizontal auf der theoretischen Wellenachse x-x hält und so einen Ausbau der Lager (9) ohne Begehung des Behälters (1) erlaubt.
Bezugszeichenliste

1: Mischbehälter
2: Rührwerkzeuge
3: Welle
4: vertikale Tragkonstruktion
5: Stillstandsstützen
6: Antriebsseite
7: Abtriebsseite
8: Kugelgelenk
9: Lager
10: Mehrkant
11: Außenteil
12: Innenteil
13: Antriebszapfen
14: Abtriebszapfen
15: Schwenkgleitlager
16: Schwenklagerbuchse
17: Außenbuchse
18: Verschleißbuchse
19: Axialstutzen
20: Kolben
21: Dichtring
22: Spindel
23: Verstellmechanismus
24: Rührmedium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1589095 B1 [0003]
DE 19624268 A1 [0003]
EP 1841853 B1 [0003, 0008]

Claims

Vorrichtung zum Mischen von flüssigen Medien, welche körnige, faserige und staubförmige Stoffe in einer beliebigen Mischung enthalten können, in einem horizontalen Mischbehälter (1), der rund oder eckig sein kann, aus Metall, Kunststoff oder Beton oder einer beliebigen Kombination dieser Werkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass die Rührwerkzeuge (2) auf einer Welle (3) angeordnet sind, welche durch Verdrängung des Rührmediums (24) durch die Welle (3) selbst und den eingetauchten Rührwerkzeugen (2) so viel Auftrieb erzeugt, dass die Welle (3) aufschwimmt, eine horizontale Lage einnimmt und so keine oder nur unwesentliche Biegemomente in die antriebsseitige wie abtriebsseitige Lagerung (6) (7) sowie deren vertikale Tragkonstruktionen (4) einbringt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Stillstandsstützen (5) vorgesehen sind, welche statisch von unten oder mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch verstellbar von oben vorgesehen sind und mit der die Welle (3) und den damit verbundenen Rührwerkzeugen (2) beim Leerlaufen des Mischbehälters in der Horizontallage gehalten werden und somit die Endlager (6) (7) auch in diesem Betriebszustand biegemomentenfrei gehalten werden und für Wartungszwecke ohne weitere Fixierung der Welle (3) mit aufgebauten Rührwerkzeugen (2) ausgebaut werden können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor den jeweiligen antriebs- und abtriebsseitigen Lagern (6) (7) Kugelgelenke (8) eingebaut sind, welche die Endlager (6) (7) ebenso weitgehend biegemomentfrei halten würden, wenn durch unerwartete Betriebskräfte das Gleichgewicht zwischen Gewichts-Betriebskräften und Aufrieb gestört würde.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem antriebsseitigem Lager (6) ein Kugelgelenk (8) eingebaut ist, wie zuvor beschrieben, und auf der Abtriebsseite (7) ein Schwenkgleitlager (15) zur Funktionserfüllung wie unter 3. beschrieben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die antriebs- und abtriebsseitigen Lager (6) (7) als Wälzlager oder Gleitlager ausgeführt sein können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auch eine Anordnung ohne die Stillstandsstützen (5) nach Anspruch 2 gewählt werden kann, wobei die Wellenausführung so zu wählen ist, dass bei leerem Mischbehälter (1) die elastische Verformung der Welle (3) unter den Gewichtslasten, unter Berücksichtigung beidseitiger Kugelgelenke (8) oder der Kombination Kugelgelenk (8) antriebsseitig und Schwenkgleitlager (15) abtriebsseitig so klein bleibt, dass eine Bodenberührung der Rührwerkzeuge (2) ausgeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehmomentenübertragung vom Lagerwellenteil in das Kugelgelenk (8) über einen Mehrkant (10) stattfindet, wobei die Toleranzen zwischen Innenteil (12) und Außenteil (11) des Mehrkants (10) so gewählt sind, das keine Bewegungsbehinderung des Kugelgelenkes (8) durch Verformung der Welle (3) stattfindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Welle (3) als massives oder hohles Rund- oder Mehrkantprofil ausgeführt sein kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die abtriebsseitige Lagerung (7) so gestaltet ist, dass sie ohne Begehung des Mischerbehälters (1) zur Wartung nach außen ausgebaut werden kann.